DE60104082T2

DE60104082T2 - Schneidstruktur für Bohrmeissel

Info

Publication number: DE60104082T2
Application number: DE60104082T
Authority: DE
Inventors: Steven Barton; Dean Travers Watson; Andrew Murdock
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 2001-01-27
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: EP1227214A2; EP1227214A3; EP1227214B1; DE60104082D1

Description

Diese Erfindung betrifft Erdbohrmeißel und insbesondere einen Bohrmeißel mit feststehenden Schneiden, der Schneidelemente hat, die so angeordnet werden, daß sie das Richtbohren erleichtern.
Bis vor kurzem arbeiteten Bohrmeißelkonstrukteure hauptsächlich daran, Bohrmeißel zu konstruieren, die gerade Löcher durch die Erde bohren würden. In jüngster Zeit haben Konstrukteure an Meißelkonstruktionen gearbeitet, die, wenn sie in Verbindung mit geeigneter Untertageausrüstung verwendet werden, gelenkt werden können, um ein Richtbohren zu ermöglichen. Beim Richtbohren ist es wichtig, zu sichern, daß der Bohrmeißel nicht von der gewünschten Bahn abwandert. Außerdem müssen die Meißel leicht zu lenken sein und in der Lage sein, eine horizontale Bohrbahn einzuhalten.
Es gibt zwei gebräuchliche Weisen, einen Bohrmeißel zu lenken. Ein Verfahren ist die Verwendung eines Untertagemotors zum Drehen des Bohrmeißels, wobei der Motor und der Bohrmeißel an einem Bohrstrang angebracht werden, der eine abgewinkelte Biegung einschließt. Bei einer solchen Anordnung ist die Bohrrichtung abhängig von der Winkelposition des Bohrstrangs. Bei Anwendung wird der Bohrstrang gedreht, bis der Bohrmeißel in die gewünschte Richtung zeigt. Danach wird der Bohrstrang gegen eine weitere Winkelbewegung festgehalten, während das Bohren in der gewünschten Richtung stattfindet. Diese Lenktechnik ist manchmal als „Meißelrichten" bekannt.
Eine alternative Lenktechnik ist als „Meißelschieben" bekannt. Bei dieser Technik wird der Bohrmeißel ununterbrochen gedreht. Dem Bohrmeißel zugeordnet wird eine Einheit, die konstruiert wird, um das Ausüben einer Seitenlast auf den Bohrmeißel zu ermöglichen, um zu bewirken, daß die Bohrrichtung von der geraden Bahn abweicht, der sie sonst folgen würde. Die US-Patente Nr. 5 265 682, 5 553 679, 5 582 259, 5 603 385, 5 685 379, 5 706 905, 5 778 992, 5 803 185, die alle hierin als Referenz für alles, was sie offenlegen, einbezogen werden, beschreiben eine zur Verwendung in einem lenkbaren Bohrsystem des „Meißelschieben"-Typs geeignete Einheit.
Ein bekannter, zur Verwendung in einem lenkbaren Bohrsystem des „Meißelschieben"-Typs geeigneter Bohrmeißel hat eine Vorderfläche, von der eine Vielzahl von Blättern vorsteht, wobei jedes der Blätter eine Vielzahl von Schneidelementen trägt. Jedes Blatt endet in einem Kalibrierklotz. Bei einem typischen Bohrmeißel werden die Kalibrierklötze nicht mit Schneidelementen versehen, können aber mit Einsätzen, konstruiert, um die Verschleißfestigkeit der Kalibrierklötze zu verbessern, versehen werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die Kalibrierklötze bei einem System des „Meißelschieben"-Typs mit Schneidelementen zu versehen. Ein Nachteil des Aufbringens von Schneidelementen auf die Kalibrierklötze ist es jedoch, daß es eine Neigung gibt, daß ein unter Verwendung des Bohrmeißels hergestelltes Bohrloch abfällt. Dies ist auf die durch den Bohrmeißel erfahrenen Schwerkraftwirkungen zurückzuführen, wobei die Wirkung am größten ist, wenn eine horizontale Bohrung gebohrt werden soll, wobei die Schwerkraftwirkungen eine Seitenlast auf dem Bohrmeißel ausüben und bewirken, daß die Schneiden der zu einer gegebenen Zeit an der unteren Seite des Meißels befindlichen Kalibrierklötze beim Bohren des Bohrlochs aktiv werden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Bohrmeißel bereit, der besonders zur Verwendung in einem lenkbaren Bohrsystem des „Meißelschieben"-Typs geeignet ist.
US 6 092 613 beschreibt einen Bohrmeißel, der eine Vielzahl von Blättern hat, deren äußere Teile eine Kalibrierfläche frei von Schneiden definieren.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Bohrmeißel zum Bohren eines Bohrlochs bereitgestellt, wobei der Bohrmeißel einen Meißelkörper mit einer Rotationsachse, eine Vorderfläche, eine Vielzahl von Blättern, die von der Vorderfläche vorstehen, umfaßt, wobei wenigstens eines der Blätter in einem Kalibrierklotz endet, der eine Kalibrierfläche hat, bei Anwendung so angeordnet, daß sie zu einer Wand des Bohrlochs zeigt, wobei die Kalibrierfläche frei von Schneidelementen ist, wobei die Kalibrierfläche an einem vom Blatt entfernten Ende derselben an einer Verbindung mit einer Kalibrierklotz-Stirnwand endet, bei dem der Kalibrierklotz eine einzelne Schneide trägt, die eine Fläche und eine von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnete Schneidkante hat, und bei dem die Verbindung der Kalibrierfläche und der Kalibrierklotz-Stirnwand in Radialrichtung zwischen der Fläche der Schneide und der Wand des Bohrlochs kreuzt.
Vorzugsweise endet jedes Blatt in einem ähnlichen Kalibrierklotz, wobei jeder Kalibrierklotz eine einzelne Schneide trägt. Jeder Kalibrierklotz umfaßt vorzugsweise eine an ein Substrat bondierte Scheibe aus einem superharten Material. Das superharte Material umfaßt vorzugsweise Diamant.
Die Schneidkante wird vorzugsweise mit einem Zwischenraum von mehr als etwa 0,15 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,2 mm und etwa 0,5 mm von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnet.
Eine zwischen der Schneidkante und der Verbindung gezogene Linie bildet mit der Achse des Meißels vorzugsweise einen Winkel von weniger als etwa 0,1°.
Es wird vorgesehen, daß der Bohrmeißel in einem Bohrsystem verwendet werden kann, das in Wirklichkeit eine Kombination des „Meißelschieben"- und des „Meißelrichten"-Typs ist, wobei das System zum Beispiel eine Vorspanneinheit einschließt, angeordnet zum Ausüben einer Seitenlast auf eine gebogene Einheit, die einen Motor trägt, wobei der Motor den Bohrmeißel trägt. Bei einer solchen Anordnung wird der Bohrstrang gegen eine Drehung festgehalten, wenn das System verwendet wird, um eine Kurve zu bohren, wobei die gebogene Einheit den Bohrmeißel in der gewünschten Ausrichtung hält, während der Motor den Bohrmeißel antreibt, und die Vorspanneinheit wird betrieben, um eine Seitenlast auf die gebogene Einheit und den Bohrmeißel auszuüben.
Wenn entweder durch eine Vorspanneinheit, mit welcher der Meißel verbunden wird, oder durch eine Vorspannanordnung, die einen Teil des Meißels bildet, eine Seitenlast auf einen Meißel ausgeübt wird, wird angenommen, daß es vorteilhaft ist, daß die hierin zuvor erwähnte „Einzelschneide" an einem Seitenteil des Meißels unmittelbar gegenüber dem Vorspanneinheitsklotz, der das Ausüben der Seitenlast zu einer gegebenen Zeit bewirkt, angeordnet wird. Obwohl dies möglich ist, wenn die Zahl der „einzelnen Schneiden" gleich oder ein Vielfaches der Zahl von Vorspanneinheitsklötzen ist, erfordert es, daß der Bohrmeißel im Verhältnis zur Vorspanneinheit richtig winklig ausgerichtet wird, wenn die Vorspanneinheit ein gesondertes Bauteil ist. Falls die Zahl der „Einzelschneiden" nicht gleich oder ein Vielfaches der Zahl von Vorspanneinheitsklötzen ist, dann kann eine solche Positionierung offensichtlich nicht mit den hierin zuvor beschriebenen Anordnungen erreicht werden.
Dementsprechend können bei jeder der obigen Anordnungen die Kalibrierklötze miteinander integriert sein und eine Kalibrierfläche bilden, die um den Meißelkörper verläuft, wobei durch den Meißelkörper zusätzliche, ähnlich angeordnete, Schneiden zwischen den Winkelpositionen der Blätter getragen werden.
Durch das Bereitstellen von zusätzlichen, ähnlich angeordneten, Schneiden wird die Erfordernis beseitigt, daß die Vorspanneinheit gegenüber einem der Blätter angeordnet wird. Der Meißel kann daher mit einer breiten Auswahl von Vorspanneinheiten verwendet werden, und es gibt keine Notwendigkeit, den Meißel genau winklig mit der Vorspanneinheit auszurichten.
Im weiteren wird die Erfindung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, als Beispiel beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Erdbohrmeißels nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine Seitenansicht des Bohrmeißels von 1.
3 ist eine Unteransicht des Bohrmeißels von 1.
4 ist eine schematische Ansicht eines Teils des Bohrmeißels.
4A und 4B sind Ansichten ähnlich wie 4, die alternative Anordnungen illustrieren.
5 und 6 sind schematische Ansichten, welche die Verwendung des Bohrmeißels beim Bohren eines Bohrlochs illustrieren.
7 ist eine weitere schematische Ansicht eines Teils des Bohrmeißels.
8 bis 10 sind schematische Ansichten, die Bohrsysteme illustrieren, die Bohrmeißel nach der Erfindung einschließen.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung illustriert.
12 bis 15 sind schematische Ansichten, die verschiedene Winkelpositionen des Bohrmeißels von 11 im Verhältnis zu einer Vorspanneinheit illustrieren.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wird ein Bohrmeißel der vorliegenden Erfindung mit feststehenden Schneiden illustriert und allgemein durch die Referenzzahl 10 bezeichnet. Der Bohrmeißel 10 hat eine mittige Rotationsachse 12 und einen Meißelkörper 14 mit einer Vorderfläche 16, einer Stirnfläche 18, einem Kalibrierbereich 20 und einem Schaft 22 zum Anschluß an einen Bohrstrang. Eine Vielzahl von Blättern 26 steht von der Vorderfläche 16 des Meißelkörpers vor und erstreckt sich von der mittigen Rotationsachse 12 des Meißels 10 weg nach außen. Jedes Blatt 26 endet in einem Kalibrierklotz 28 mit einer Kalibrierfläche 29, die zu einer Wand 30 des Bohrlochs 32 zeigt (wie es in 5 und 6 gezeigt wird).
Eine Zahl von Schneiden 34 wird an der Stirnfläche 18 des Meißels 10 an den Blättern 26 angebracht, sowohl in einem Kegelbereich 36 als auch in einem Schulterbereich 38 der Stirnfläche 18.
Jede der Schneiden 34 steht teilweise von ihrem jeweiligen Blatt 26 vor und wird mit Zwischenraum längs des Blatts 26 angeordnet, typischerweise auf eine gegebene Weise, um eine bestimmte Art von Schneidmuster zu erzeugen. Es gibt viele solcher Muster, die zur Verwendung an dem Bohrmeißel 10 geeignet sein können, der nach den hierin bereitgestellten Lehren hergestellt wird.
Eine Schneide 34 schließt typischerweise ein Vorform-Schneidelement 40 ein, das an einem Träger in der Form eines Stollens angebracht wird, der innerhalb einer Fassung im Blatt 26 befestigt wird. Typischerweise ist jedes Vorform-Schneidelement 40 eine krummlinig geformte, vorzugsweise kreisförmige, Platte aus polykristallinem Diamantpreßling (PDC) oder einem anderen geeigneten superharten Material, bondiert an ein Substrat aus Wolframkarbid, so daß die Rückseite des Wolframkarbidsubstrats in eine entsprechend ausgerichtete Fläche des Stollens, der ebenfalls aus Wolframkarbid hergestellt werden kann, hartgelötet werden kann.
Während die Vorderfläche 16 des Bohrmeißels 10 für das Schneiden der unterirdischen Formation verantwortlich ist, ist der Kalibrierbereich 20 allgemein für das Stabilisieren des Bohrmeißels 10 innerhalb des Bohrlochs 32 verantwortlich. Der Kalibrierbereich 20 schließt typischerweise Erweiterungen der Blätter 26 ein, die Kanäle 52 erzeugen, durch die Spülschlamm innerhalb des Bohrlochs 32 nach oben strömen kann, um das durch die Vorderfläche 16 erzeugte Bohrklein wegzutragen. Um das Stabilisieren des Meißels zu erleichtern, ohne einen Schneidvorgang auszuführen, werden die Kalibrierklötze 28 so angeordnet, daß die Kalibrierflächen 29 derselben frei von Schneiden sind. Obwohl diese bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel nicht eingeschlossen sind, können die Kalibrierflächen 29 mit Mitteln zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit derselben, zum Beispiel verschleißfesten Einsätzen oder einer Beschichtung aus Bestückungsmaterial versehen werden. Solche Mittel führen nicht dazu, daß die Kalibrierflächen einen Schneidvorgang ausführen, sondern verbessern statt dessen einfach die Verschleißfestigkeit dieser Teile des Bohrmeißels.
Innerhalb des Meißelkörpers 14 gibt es einen Durchgang (nicht gezeigt), der es ermöglicht, daß unter Druck gesetzter Spülschlamm vom Bohrstrang aufgenommen wird, und mit einer oder mehreren Mündungen 54 verbunden wird, die an der Vorderfläche 16 oder angrenzend an dieselbe angeordnet werden. Diese Mündungen 54 beschleunigen den Spülschlamm in einer vorher festgelegten Richtung. Die Oberflächen des Meißelkörpers 14 sind während des Bohrvorgangs anfällig für erosiven und abrasiven Verschleiß. Ein Hochgeschwindigkeitsspülschlamm reinigt und kühlt die Schneiden 34 und strömt längs der Kanäle 52, wobei der das Erdbohrklein von der Stirnfläche 18 wegwäscht. Die Mündungen 54 können unmittelbar im Meißelkörper 14 geformt werden oder können in eine austauschbare Düse eingearbeitet werden.
Wie es in den Zeichnungen gezeigt wird, endet jeder Kalibrierklotz 28 an seinem vom Blatt 26 entfernten Ende an einer Stirnwand 56. Die Stirnwand 56 wird im Verhältnis zur Achse 12 abgewinkelt. Die Stirnwand 56 verbindet sich an einer Verbindung 58 mit der Kalibrierfläche 29. Bei der in 1 bis 3 illustrierten Anordnung hat die Stirnwand 56 keine ebene Form, sondern wird statt dessen so geformt, daß sie eine Stufe 60 definiert. Es wird jedoch zu erkennen sein, daß das Bereitstellen einer solchen Stufe 60 nicht wesentlich ist, und daß die Stirnwand 56 durchgehend bis zur Verbindung 58 verlaufen könnte. Im Bereich der Stirnwand 56 wird der Kalibrierklotz 28 so geformt, daß er eine Fassung 78 (siehe 7) definiert, die eine angreifend ausgerichtete Schneide 62 aufnimmt. Zweckmäßigerweise nimmt die Schneide 62 die Form einer Tafel 79 aus polykristallinem Diamantpreßling an, zweckmäßigerweise von kreisförmiger Gestalt, angebracht auf einem geeigneten Substrat 80, zum Beispiel aus Wolframkarbid, wobei das Substrat 80 an den Meißelkörper hartgelötet wird. Die Tafel 79 definiert eine allgemein ebene Fläche 64, wobei ein Teil von deren Umfang eine Schneidkante 65 definiert. Die Anordnung der Schneide 62 ist so, daß sie sichert, daß die Schneidkante 65 von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnet wird. Die Anordnung der Schneide 62 im Verhältnis zur Verbindung 58 ist so, daß die Verbindung 58 in Radialrichtung zwischen der Fläche 64 der Schneide 62 und der Wand 30 des Bohrlochs 32 verläuft.
Anders gesagt, liegt die axiale Position 72 der Verbindung 58 zwischen der axialen Position 74 der dem Blatt 26 nächsten Kante 75 der Schneide 62 und der axialen Position 76 der vom Blatt 26 entferntesten Kante 77.
Obwohl die Tafel 79, wie hierin zuvor beschrieben, zweckmäßigerweise von kreisförmiger Gestalt ist, wird zu erkennen sein, daß dies nicht der Fall sein muß und die Tafel 79 (und das Substrat 80) andere Formen haben kann. 4A und 4B illustrieren zwei mögliche alternative Formen, wobei die in 4A gezeigte Schneide eine zugespitzte Form hat, wogegen die von 4B so geformt wird, daß sie eine Abflachung definiert. Es wird zu erkennen sein, daß diese Formen nur Beispiele sind, und daß die Schneide eine Zahl von anderen Formen annehmen könnte.
Das Positionieren der Schneide 62 im Verhältnis zur Kalibrierfläche 29 wird am deutlichsten in 4 illustriert. Wie in 4 gezeigt wird, wird die Schneidkante 65 der Schneide 62 mit Zwischenraum in Radialrichtung nach innen von der Kalibrierfläche 29 angeordnet, und die Verbindung 58 kreuzt zwischen der Fläche 64 der Tafel der Schneide 62 und der Wand 30 des Bohrlochs 32. Obwohl 4 eine geeignete Position der Schneide 62 im Verhältnis zur Verbindung 58 illustriert, wird zu erkennen sein, daß die relative Anordnung der Schneide 62 und der Verbindung 58 verändert werden kann, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu fallen, und die Klammer 66 (4) kennzeichnet einen Bereich geeigneter Positionen der Verbindung 58 im Verhältnis zur Fläche 64 der Schneide 62. Der radiale Zwischenraum der Schneidkante 65 der Schneide 62 von der Kalibrierfläche 29 ist sehr klein und ist zweckmäßigerweise größer als etwa 0,15 mm und beträgt vorzugsweise zwischen etwa 0,2 mm und etwa 0,5 mm. Eine fiktive, zwischen der Schneidkante 65 der Schneide 62 und der Verbindung 58 gezogene, Linie 70 bildet mit der Achse 12 einen Winkel von weniger als etwa 0,1°. Bei der illustrierten Anordnung beträgt dieser Winkel (in 4 gekennzeichnet durch die Referenz 68) zweckmäßigerweise ungefähr 0,0785°.
5 und 6 illustrieren den Bohrmeißel bei Anwendung, wobei die Beschreibung auf die Verwendung des Bohrmeißels mit einem System des „Meißelschieben"-Typs gerichtet ist.
Wenn der Bohrmeißel, wie es in 5 gezeigt wird, zum Bohren eines geraden Teils eines Bohrlochs 32 verwendet wird, wird durch die Vorspanneinheit der Bohrlochsohlenausrüstung keine Seitenlast auf den Bohrmeißel 10 ausgeübt, und der Bohrmeißel 10 liegt wesentlich koaxial mit dem Bohrloch. Es wird zu erkennen sein, daß der Bohrmeißel unter diesen Umständen, selbst wenn der Bohrmeißel horizontal liegt und folglich Schwerkraft-Seitenlasten erfährt, durch die Kalibrierflächen 29 der Kalibrierklötze 28 gestützt wird. Da die Schneiden 62 mit Zwischenraum in Radialrichtung nach innen von den Kalibrierflächen 29 angeordnet werden, wird zu erkennen sein, daß diese Schneiden außer Kontakt mit der Wand 30 des Bohrlochs 32 sind und so keine Bohrfunktion ausüben. Das Bereitstellen der Schneiden 62 hat daher nicht die Wirkung, ein Abfallen des Bohrlochs zu verursachen.
Falls die Vorspanneinheit 84 der Bohrlochsohlenausrüstung betrieben wird, um eine Seitenlast auf den Bohrmeißel 10 auszuüben, wie es zum Beispiel in 6 illustriert wird, dann wird dies die Wirkung haben, den Bohrmeißel 10 im Verhältnis zur Achse der Bohrung zu neigen. Falls die Neigung des Bohrmeißels 10 in der in 6 illustrierten Richtung erfolgt, dann wird die Neigung bewirken, daß sich die Schneiden 62 an der hohen oder oberen Seite des Bohrmeißels 10 zu einer gegebenen Zeit zur Wand 30 hin bewegen, während die Schneiden 62 an der niedrigen Seite des Bohrmeißels 10 dazu neigen, sich von der Wand 30 wegzubewegen. Das Neigen des Bohrmeißels wird ebenfalls dazu tendieren, die an den Blättern 26 bereitgestellten Schneiden 34 an der hohen Seite des Meißels 10 von der Wand 30 wegzubewegen, wogegen jene an der niedrigen Seite des Meißels 10 weiter auf das Bohrloch treffen und so beim Bohren aktiv sind. Da die Schneiden 62 mit Zwischenraum in Radialrichtung nach innen von den Kalibrierflächen 29 angeordnet werden, ist es klar, daß der Meißel 10 um einen Winkel, der größer ist als ein vorher festgelegter Winkel, bewegt werden muß, um die Schneiden 62 in Eingriff mit dem Bohrloch zu bringen. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Winkel ungefähr 0,4°. Es wird zu erkennen sein, daß diese Schneiden, sobald der Meißel 10 um einen ausreichend großen Winkel geneigt worden ist, um die Schneiden 62 an der hohen Seite des Meißels 10 zu einer gegebenen Zeit in Eingriff mit dem Bohrloch zu bringen, dann das Bohren der Formation unterstützen und folglich das Formen einer Kurve im Bohrloch unterstützen.
Obwohl in der Beschreibung weiter oben beschrieben worden ist, daß die Schneidkante 65 jeder Schneide 62 mit einem Zwischenraum von mehr als etwa 0,15 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,2 mm und 0,5 mm vom Kalibrierflächenradius in Radialrichtung nach innen angeordnet wird und eine fiktive, zwischen der Verbindung 58 und der Schneidkante 65 gezogene, Linie mit der Achse 12 einen Winkel von weniger als etwa 0,1° bildet, wird zu erkennen sein, daß die Anordnung der Schneiden 62 von der Ausrüstung, mit welcher der Bohrmeißel verwendet werden soll, abhängen wird, wobei die zu berücksichtigenden Faktoren zum Beispiel einschließen, ob der Bohrmeißel mit einer untermaßigen Untertage-Stabilisatoreinheit 82 verwendet werden soll.
8 illustriert einen Bohrmeißel der oben beschriebenen Art bei Anwendung mit einem Bohrsystem des „Meißelschieben"-Typs. Wie in 8 gezeigt wird, schließt das Bohrsystem eine Bohrlochsohlenausrüstung (BSA) 81 ein, die eine Stabilisatoreinheit 82 umfaßt, verbunden mit einer Vorspanneinheit 84, wobei die Vorspanneinheit wiederum mit dem Bohrmeißel verbunden wird. Wie es gut bekannt ist, wird die Vorspanneinheit 84 konstruiert, um sich mit dem Bohrstrang zu drehen, durch den die Bohrlochsohlenausrüstung 81 getragen wird, wobei die Vorspanneinheit 84 eine Vielzahl von beweglichen Klötzen (nicht gezeigt) einschließt, wobei die Klötze nach außen bewegt werden können, um die Wand des gerade gebohrten Bohrlochs in Eingriff zu nehmen, um eine Seitenkraft auf die Vorspanneinheit und also auf den Bohrmeißel auszuüben. Die Vorspanneinheit 84 schließt eine Steuereinrichtung 85 ein, dafür geeignet, zu sichern, daß die Klötze zur richtigen Zeit und in den richtigen Positionen ausgefahren und eingezogen werden, um die Seitenlast in der gewünschten Richtung auf den Bohrmeißel auszuüben, um ein Bohren in der gewünschten Bahn zu erreichen. Obwohl die Beschaffenheit der Vorspanneinheit 84 nicht detailliert beschrieben wird, wird zu erkennen sein, daß weitere Details der Vorspanneinheit in den hierin zuvor erwähnten Patenten dargelegt werden.
9 illustriert den Bohrmeißel bei Anwendung mit einem Bohrsystem des „Meißelrichten"-Typs. Bei diesem Bohrsystem trägt der Bohrstrang eine gebogene oder gelenkige Einheit 86, die wiederum einen Untertagemotor 88 trägt. Der Motor wird typischerweise unter Verwendung von Spülschlamm angetrieben.
Der Motor 88 wird zum Antreiben des Bohrmeißels angeordnet, um den Bohrmeißel 10 um seine Achse zu drehen. Wieder wird typischerweise eine Stabilisatoreinheit (nicht gezeigt) in die Bohrlochsohlenausrüstung 81 eingeschlossen.
Bei dieser Anordnung wird der Motor 88 verwendet, um den Bohrmeißel zum Drehen anzutreiben, so daß der Bohrmeißel einen Schneidvorgang ausführt. Da der Motor und der Bohrmeißel durch die gebogene Einheit 86 getragen werden, wird zu erkennen sein, daß die Achse des Bohrmeißels nicht koaxial mit dem gerade gebohrten Bohrloch ist. Wenn ein gerader Abschnitt des Bohrlochs gebohrt werden soll (wie es gezeigt wird), dann wird der Bohrstrang gedreht, so daß sich die gebogene Einheit innerhalb des Bohrlochs dreht. Wenn ein gekrümmter Bohrlochabschnitt geformt werden soll, dann wird der Bohrstrang gegen eine Drehung festgehalten, wobei die gebogene Einheit 86 so ausgerichtet wird, daß der Bohrmeißel in die Richtung zeigt, in der das Bohrloch gebohrt werden soll, und es wird zu erkennen sein, daß der Bohrmeißel in diesem Zustand so geneigt wird, daß die Schneiden 62 aktiv werden können.
Obwohl die Beschreibung hierin die einer Bohrlochsohlenausrüstung 81 ist, die eine gebogene Einheit einschließt, wird zu erkennen sein, daß andere Einheiten des „Meißelrichten"-Typs möglich sind. Zum Beispiel sind Anordnungen bekannt, bei denen an Stelle der Verwendung einer dauerhaft gebogenen Einheit die Einheit einstellbar ist zwischen einer Position, in welcher der Bohrmeißel koaxial mit der Bohrung liegt, und einem Zustand, in dem die Achse des Bohrmeißels im Verhältnis zur Bohrung abgewinkelt wird. Außerdem könnte die Ausrüstung 81 eine Vorspanneinheit einschließen, konstruiert zum Ausüben einer Seitenlast auf den Bohrmeißel.
10 illustriert ein weiteres Bohrsystem. Bei dem Bohrsystem von 10 ist der verwendete Bohrmeißel nicht identisch mit dem oben beschriebenen, sondern wird statt dessen so modifiziert, daß er in seinem Kalibrierbereich eine Vielzahl von beweglichen Klötzen 90 einschließt, die in Radialrichtung nach außen bewegt werden können, um die Wand des Bohrlochs in Eingriff zu nehmen, um das Ausüben einer Seitenlast auf den Bohrmeißel zu ermöglichen. Die Klötze 90 können typischerweise unter der Wirkung eines Hydraulikfluids bewegt werden, wobei die Anwendung des Fluids durch eine geeignete Steuerventilanordnung 92 gesteuert wird, um zu sichern, daß die Klötze 90 in angemessenen Intervallen ausgefahren und eingezogen werden, um das Ausüben der gewünschten Seitenlast auf den Bohrmeißel zu bewirken. Es wird zu erkennen sein, daß die Anordnung von 10 in Wirklichkeit ein Bohrmeißel mit einer integrierten Vorspanneinheit ist. Die Beschaffenheit des Teils des Bohrmeißels, der die Vorspannfunktion ausübt, kann eine Zahl von Formen annehmen, zum Beispiel kann sie die im US- Patent Nr. 5 099 934 beschriebene und illustrierte Form annehmen, dessen Inhalt hierin für alles, was es offenlegt, als Referenz einbezogen wird.
Obwohl oben mehrere Bohrsysteme beschrieben werden, die für eine Verwendung mit dem Bohrmeißel der Erfindung geeignet sind, wird zu erkennen sein, daß der Bohrmeißel in Verbindung mit anderen lenkbaren Bohrsystemen verwendet werden kann.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen ist es wichtig, zu sichern, daß die Winkelausrichtung des Bohrmeißels im Verhältnis zur zugeordneten Vorspanneinheit so ist, daß sie dazu führt, daß jedes Blatt winklig entgegengesetzt zu einem der Vorspannklötze der Vorspanneinheit angeordnet wird. Der Grund dafür ist, daß bei Aktivierung der Vorspanneinheit, um zu bewirken, daß der Bohrmeißel innerhalb des Bohrlochs geneigt wird, um das Formen einer Kurve im Bohrloch zu erzielen, die winklig entgegengesetzt zu den aktivierten Vorspannklötzen angeordneten Schneiden 62 aktiv statt passiv beim Formen der Kurve im Bohrloch werden. Im Ergebnis dessen wird die durch den Vorspannklotz auf dem Bohrmeißel ausgeübte Seitenlast unmittelbar auf die nun aktive Schneide übertragen, die winklig entgegengesetzt zu den aktiven Vorspannklötzen angeordnet ist, was folglich die Leistungsfähigkeit des Schneidens und die Leistungsfähigkeit, mit der die Bohrrichtung verändert werden kann, verbessert. Offensichtlich wird die Bohrleistungsfähigkeit der Bohrlochausrüstung, wenn der Bohrmeißel beim Formen einer Kurve im Bohrloch verwendet wird, nicht optimiert, falls die Winkelausrichtung des Bohrmeißels im Verhältnis zur Vorspanneinheit so ist, daß die Schneiden 62 nicht winklig entgegengesetzt zu den Vorspannklötzen der Vorspanneinheit angeordnet werden.
Es wird zu erkennen sein, daß dann durch eine angemessene Winkelausrichtung des Bohrmeißels im Verhältnis zur Vorspanneinheit eine Optimierung der Bohrleistungsfähigkeit während dieser Betriebsphase erreicht werden kann, wenn der Bohrmeißel an Blättern die gleiche Zahl oder ein geradzahliges Vielfaches der Zahl einschließt, wie die Vorspanneinheit Vorspannklötze hat. Eine solche Optimierung kann jedoch nur dadurch erreicht werden, daß gesichert wird, daß die richtige Winkelausrichtung erreicht wird, um jeden Vorspannklotz gegenüber einem entsprechenden Blatt anzuordnen, und dies kann nur geschehen, wenn der Meißel und die Vorspanneinheit die richtige Zahl von Blättern und Vorspannklötzen haben. Die Vorspanneinheit und der Bohrmeißel werden jeweils durch Schraubengewindeverbindungen am Rest des Bohrstrangs befestigt, und so wird zu erkennen sein, daß es schwer ist, beständig die gewünschte Winkelausrichtung der Vorspanneinheit und des Bohrmeißels zu erreichen.
11 illustriert eine Meißelkonstruktion, bei der die Bohrleistungsfähigkeit optimiert werden kann, ohne den Bohrmeißel im Verhältnis zu einer Vorspanneinheit richtig ausrichten zu müssen, um jeden Vorspannklotz gegenüber einem Blatt anzuordnen, und bei der außerdem der Meißel nicht mit einer Vorspanneinheit verwendet werden muß, die eine durch die Zahl der Blätter des Bohrmeißels bestimmte Zahl von Vorspannklötzen hat. Der Bohrmeißel 100 in 11 umfaßt einen Meißelkörper 101 mit einer Vorderfläche 102 und einem Schaft 104 zum Anschluß an einen Bohrstrang. Eine Vielzahl von Blättern 106 steht von der Vorderfläche 102 vor, wobei jedes Blatt 106 von einer mittigen Rotationsachse des Meißels 100 weg in Radialrichtung nach außen verläuft und jedes eine Vielzahl von Schneiden 108 zum Eingriff mit einer Formation trägt, in der ein Bohrloch gebohrt werden soll.
Zwischen den Blättern 106 werden Strömungskanäle 110 gebildet, denen bei Anwendung durch Düsen 112 ein Spülschlamm zugeführt wird, wobei das Fluid verwendet wird, um die Schneiden 108 bei Anwendung zu schmieren und zu reinigen.
Ein Kalibrierring 114 umschließt wenigstens einen Abschnitt des Meißelkörpers 101, wobei der Kalibrierring 114 mit dem Rest des Meißelkörpers 101 integriert ist und eine Kalibrierfläche 116 definiert. Der Kalibrierring 114 verbindet wenigstens zwei und vorzugsweise alle Kalibrierklötze 28 oder Blätter 106, um wesentlich durchgehend um den Meißelkörper 101 zu verlaufen. Wie es in 11 gezeigt wird, werden im Kalibrierring 114 Öffnungen 118 gebildet, um zu ermöglichen, daß Spülschlamm von den Kanälen 110 zu dem Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und der Wand des Bohrlochs strömt.
Der Kalibrierring 114 endet an seiner vom Blatt 106 entfernten Kante mit einer Kalibrierring-Stirnwand 120. Am Kalibrierring 114 wird eine Vielzahl von Schneiden 122 angebracht, wobei die Schneiden 122 so angeordnet werden, daß ihre Schneidkanten von der Kalibrierfläche 116 in Radialrichtung nach innen angeordnet werden, wobei die axiale Position jeder Schneide 122 so ist, daß die Verbindung zwischen der Kalibrierfläche 116 und der Kalibrierklotz-Stirnwand 120 in Radialrichtung zwischen der Fläche jeder Schneide und der Wand des Bohrlochs kreuzt.
Es wird zu erkennen sein, daß die Anordnung jeder Schneide 122 der in 11 illustrierten Anordnung ähnlich derjenigen der Schneiden 62 der oben beschriebenen Anordnungen ist, wobei der Hauptunterschied zwischen der Anordnung von 11 und den oben beschriebenen Anordnungen ist, daß die Schneiden 122 an Abschnitten des Kalibrierrings 114 winklig zwischen den Positionen der Blätter 106 bereitgestellt werden. Im Ergebnis dessen wird, falls der Bohrmeißel von 11 nicht winklig mit einer zugeordneten Vorspanneinheit ausgerichtet wird, mit dem Ergebnis, daß die Vorspannklötze der Vorspanneinheiten nicht winklig entgegengesetzt zu den Blättern 106 ausgerichtet werden, was bei den Anordnungen von 1 bis 10 dazu führen wurde, daß die Bohrleistungsfähigkeit der Anordnung nicht optimiert wird, bei der Anordnung von 11 die Bohrleistungsfähigkeit noch optimiert, weil die Klötze noch winklig entgegengesetzt zu einer oder mehreren der Schneiden 122 angeordnet sind, selbst wenn die Klötze nicht winklig entgegengesetzt zu den Blättern 106 angeordnet werden.
Einige mögliche Winkelausrichtungen des Bohrmeißels im Verhältnis zur Vorspanneinheit werden in 12 bis 15 illustriert, die schematische Darstellungen sind, welche die Positionen der Schneiden 108, der Schneiden 122 und der Vorspannklötze 124 der Vorspanneinheit zeigen. Aus jeder der 12 bis 15 wird klar, daß die Vorspannklötze 124 in jeder der relativen Positionen der Vorspannklötze 124 im Verhältnis zum Bohrmeißel winklig entgegengesetzt zu wenigstens einer der Schneiden 122 angeordnet werden. Im Betrieb werden die Klötze 124 ununterbrochen ausgefahren und eingezogen, wenn sich der Meißel 100 dreht. Allgemein werden, wie gezeigt wird, ein oder mehrere Klötze teilweise gleichzeitig ausgefahren. Die Richtung, in welcher der Meißel 100 geschoben wird, ist ein Ergebnis dessen, welche Klötze ausgefahren werden, und des Ausmaßes, in dem sie ausgefahren werden. Außerdem wird, obwohl es nicht illustriert wird, zu erkennen sein, daß der Bohrmeißel von 11 nicht mit einer Vorspanneinheit verwendet werden muß, die drei Vorspannklötze 124 hat, sondern statt dessen mit einer Vorspanneinheit verwendet werden könnte, die eine beliebige Zahl von Vorspannklötzen hat.
Wie bei den Schneiden 62 ist der Zwischenraum, in dem die Schneiden 122 von der Kalibrierfläche angeordnet werden, vorzugsweise größer als etwa 0,15 mm und beträgt vorzugsweise zwischen etwa 0,2 mm und etwa 0,5 mm. Eine fiktive, zwischen einer Verbindung zwischen der Kalibrierfläche 116 und der Kalibrierring-Stirnwand 120 und der Schneidkante jeder Schneide 122 gezogene, Linie bildet mit der Achse des Bohrmeißels einen Winkel von weniger als etwa 0,1°.
Außer, daß es eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Bauteilen ermöglicht, die in der Bohrlochausrüstung verwendet werden, und die Erfordernis verringert, den Bohrmeißel im Verhältnis zur Vorspanneinheit winklig auszurichten, trägt das Bereitstellen des Kalibrierrings 114 weiter dazu bei, den Bohrmeißel zu stabilisieren und kann folglich im Vergleich mit einer herkömmlichen Konstruktion eine Verringerung der Zahl von Blättern ermöglichen, die durch den Bohrmeißel getragen werden.
Während die vorliegende Erfindung in einer besonderen Beziehung zu den hieran angefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, sollte es sich von selbst verstehen, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, andere und weitere Modifikationen außer den hierin gezeigten und vorgeschlagenen vorgenommen werden können.

Claims

Bohrmeißel zum Bohren eines Bohrlochs, wobei der Bohrmeißel einen Meißelkörper (14) mit einer Rotationsachse (12), eine Vorderfläche (16), eine Vielzahl von Blättern (26), die von der Vorderfläche vorstehen, umfaßt, wobei wenigstens eines der Blätter (26) in einem Kalibrierklotz (28) endet, der eine Kalibrierfläche (29) hat, bei Anwendung so angeordnet, daß sie zu einer Wand des Bohrlochs zeigt, wobei die Kalibrierfläche (29) ohne Schneidelemente ist, wobei die Kalibrierfläche (29) an einem vom Blatt entfernten Ende derselben an einer Verbindung mit einer Stirnwand (56) endet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierklotz (28) eine Schneide (62) trägt, die eine Fläche und eine von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnete Schneidkante hat, und bei dem die Verbindung (58) der Kalibrierfläche und der Stirnwand in Radialrichtung zwischen der Fläche der Schneide und der Wand des Bohrlochs kreuzt.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem jeder Kalibrierklotz (28) eine einzelne Schneide (62) trägt.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem jeder Kalibrierklotz (28) eine an ein Substrat bondierte Scheibe aus einem superharten Material umfaßt.
Bohrmeißel nach Anspruch 3, bei dem das superharte Material Diamant umfaßt.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Schneidkante mit einem Zwischenraum von mehr als etwa 0,15 mm von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnet wird.
Bohrmeißel nach Anspruch 5, bei dem die Schneidkante mit einem Zwischenraum zwischen etwa 0,2 mm und etwa 0,55 mm von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnet wird.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem eine fiktive, zwischen der Schneidkante und der Verbindung (58) gezogene, Linie mit der Achse (12) des Meißels einen Winkel von weniger als etwa 0,1° bildet.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem wenigstens zwei der Blätter in Kalibrierklötzen enden, die miteinander verbunden werden, um eine durchgehende Kalibrierfläche zu bilden.
Bohrmeißel nach Anspruch 8, bei dem alle Kalibrierklötze (28) miteinander verbunden werden, um eine durchgehende Kalibrierfläche (29) zu bilden, die um den Bohrmeißel verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 9, der außerdem wenigstens eine zusätzliche Schneide umfaßt, die eine Fläche und eine von der Kalibrierfläche in Radialrichtung nach innen angeordnete Schneidkante hat, wobei eine Verbindung zwischen der Kalibrierfläche und der Stirnwand so angeordnet wird, daß sie in Radialrichtung zwischen der Fläche der zusätzlichen Schneide und der Wand des Bohrlochs kreuzt, wobei die zusätzliche Schneide winklig zwischen zwei benachbarten Blättern des Bohrmeißels angeordnet wird.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem eine axiale Position der Verbindung (58) der Kalibrierfläche und der Klotzstirnwand zwischen einer axialen Position einer dem Blatt nächsten Kante der Schneidenfläche und einer vom Blatt entferntesten Kante derselben liegt.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem eine axiale Position der Verbindung (58) zwischen der Kalibrierfläche und der Stirnwand zwischen einer axialen Position einer dem Blatt nächsten Kante der Schneide (62) und einer axialen Position einer vom Blatt entferntesten Kante der Schneide (62) liegt.