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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrmeißel hauptsächlich für eine Verwendung beim Herstellen
von Bohrlöchern,
der aber ebenfalls innerhalb eines Futterrohrstranges verwendet
werden kann, um den Aufbau von Belägen zu entfernen.
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Das
Bohren von Bohrlöchern
für die
Erdöl- und
Gasgewinnung wird bei Verwendung eines Stranges des Bohrrohres mit
einem am untersten Ende montierten Bohrmeißel zustande gebracht, der von
der Erdoberfläche
in die Erde hinein gedreht wird. Der Bohrmeißel weist im Allgemeinen einen Körper, der
an einem Arbeitsstrang an seinem obersten Ende, d.h., dem Schaft,
gesichert werden kann, und eine Krone auf. Die Krone ist im Wesentlichen der
Bereich des Meißels,
der das Schneidmittel trägt, das
die Erde bohrt, um die Bohrung herzustellen, und sie weist eine
oberste Abfasung, ein Ringkaliber und eine kegelförmige Hinterschlifffläche auf,
auf der das Schneidmittel montiert wird, und einen untersten Ansatz,
der mit dem Boden des Loches in Berührung kommt.
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Nachdem
ein Abschnitt des Bohrloches gebohrt wurde, ist es eine übliche Praxis,
Einzelrohre aus schwerem Stahlrohr, im Allgemeinen als Futterrohr
bekannt, in die Bohrung einzusetzen, um als ein Liner zu wirken,
um die Wände
des Bohrloches strukturell gegen ein Zusammenfallen zu stützen.
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Typischerweise
weist das Futterrohr einen kleineren Außendurchmesser auf als der
Bohrmeißel,
der die Bohrung herstellt, in die das Futterrohr eingeführt werden
soll.
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Das
normale Verfahren, das zur Anwendung kommt, um Bohrlöcher zu
bohren, ist das Bohren eines jeden Abschnittes mit aufeinanderfolgend
kleineren Meißeln
und danach die Bohrlöcher
mit einem entsprechend kleineren Futterrohr auszukleiden. Es gibt
jedoch eine Standardpraxis mit Bezugnahme auf die Verwendung eines
Bohrunterschneiders, der hinter einem normalen Bohrmeißel positioniert
wird, der als ein Vorbohrer wirkt, um die innere Querschnittsfläche des
Bohrloches zu schneiden. Konventionelle Unterschneider umfassen
eine Anzahl von expandierbaren Armen, die sich zwischen einer zurückgezogenen
oder geschlossenen Konfiguration und einer expandierten oder offenen
Konfiguration bewegen können.
Der Vorbohrmeißel
und der Unterschneider können
durch das Futterrohr geführt
werden, wenn der Unterschneider geschlossen ist. Nach dem Führen durch
das Futterrohr kann der Unterschneider geöffnet werden, um das Vorbohrloch
unterhalb des Futterrohrschuhs zu vergrößern und daher ein Bohrloch
herzustellen, das gleich oder größer als
das ursprüngliche
gebohrte Loch ist. In den letzten Jahren wurden Doppelzentriermeißel, die
versetzte Schneidelemente aufweisen, die in unregelmäßigen Abständen um
die Krone des Meißels
montiert sind, als eine Alternative zu den Unterschneidern entwickelt.
Diese Meißel
sind jedoch infolge ihrer unregelmäßigen Struktur instabil und
neigen dazu, dass sie schwieriger für Richtungszwecke zu steuern
sind als normale Bohrmeißel
und möglicherweise
nicht den erwarteten überstrichenen
Durchmesser der versetzten Pads bohren können, die das durch die Krone
hergestellte Vorbohrloch nachbohrt.
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Es
wird erkannt werden, dass es nicht immer wünschenswert ist oder tatsächlich möglich ist,
ein wirklich gerades Bohrloch zu bohren. Beispielsweise kann es
wünschenswert
sein, die Richtung des Bohrablaufes zu steuern, um den speziellen
Bereich zu erreichen, oder um ein horizontales oder expandiertes
Bohrloch herzustellen, sobald die richtige Tiefe der Bohrung gebohrt
wurde. In derartigen Fällen
ist es üblich,
eine steuerbare Bohrvorrichtung zu verwenden. Eine normale steuerbare
Bohrvorrichtung weist im Allgemeinen einen Bohrlochmotor auf, der einen
Bohrmeißel
antreiben oder drehen kann, der am untersten Ende des Motors positioniert
ist. Typischerweise weist der Bohrlochmotor ein gebogenes Gehäuse mit
einem Winkel von 0,5 bis 2,0 Grad über dem Lagerabschnitt des
Motors etwa 1,8 bis 3,0 m (6 bis 10 ft.) hinter dem Meißel auf.
Dieser kann verwendet werden, um die Baugruppe zu steuern, wenn
das Bohrgestänge
nicht gedreht wird, und gestattet das Steuern der Richtung des Bohrloches
als Reaktion auf sich verändernde
Bohrlochverhältnisse.
Um den Bohrmeißel
in eine gewünschte
Richtung zu steuern, wird die Drehung des Bohrgestänges unterbrochen, was
gestattet, dass der Motor den Bohrmeißel neigen kann, um ihn in
der gewünschten
Richtung zu neigen. Im Ergebnis dessen kann ein gebogener Abschnitt der
Bohrung gebildet werden. Ein anderes Mal wird das Bohrgestänge normal
gedreht, was die Wirkung des gebogenen Gehäuses des Bohrlochmotors auf dem
Bohrmeißel
verhindert.
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Im
Allgemeinen werden Unterschneider und Doppelzentriermeißel nicht
für das
Richtbohren von offenen Löchern
mit hoher Genauigkeit mit steuerbaren Bohrlochmotoren oder sich
drehenden steuerbaren Systemen konstruiert. Das steuerbare Bohren
erfordert, dass der genutzte Bohrmeißel in der Lage ist, schnell
die Richtung des gebohrten Bohrloches zu verändern, wenn er geneigt oder
eine Seitenkraft angewandt wird. Unterschneider weisen einen großen Abstand
zwischen dem Vorbohrmeißel
und den expandierbaren Armen auf und gestatten daher nicht, dass
diese schnelle Richtungsänderung
erfolgt. Doppelzentriermeißel
werden so konstruiert, dass der Abstand zwischen der Krone und den
versetzten Pads relativ groß ist,
und als Folge dessen sind diese Meißel nicht so steuerbar wie
normale kurze Meißel.
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Das
US 5141063 beschreibt einen
expandierbaren Bohrmeißel,
der drei gleichmäßig beabstandete
Schneidelemente aufweist, die innerhalb des Durchmessers der zylindrischen
Kontur des Körpers
des Meißels
vollständig
zurückgezogen
werden können.
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Das
US 4081042 beschreibt einen
Rotarybohrmeißel,
der anfangs zurückgezogene
expandierbare Schneidwerkzeuge aufweist, die mit einer Stabilisierungskolonne
verbunden sind.
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Das
GB 2320270 beschreibt ein
Bohrlochrotaryschneidwerkzeug, das ein Paar drehbar montierte Flügel aufweist,
die zwischen einer zurückgezogenen
Position und einer ausgezogenen Position beweglich sind.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird erkannt, dass es ein Vorteil wäre, einen
wirklich expandierbaren Bohrmeißel
bereitzustellen, der klein genug ist, so dass er durch eine einen
kleinen Durchmesser aufweisende Bohrung oder Futterrohr in einem
Modus geführt
und danach so expandiert werden kann, dass er ein Loch mit einem
größeren Durchmesser unterhalb
der Verengung, durch die er hindurchgegangen ist, in einem zweiten
Modus bohren kann, wobei aber der Bohrmeißel so konstruiert ist, dass
er eine ausreichend kurze Nennlänge
aufweist, damit er bei einer Vielzahl von Bohrarbeitsgängen verwendet werden
kann, einschließlich
der steuerbaren Bohranwendungen.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen wirklich expandierbaren
Bohrmeißel
bereitzustellen, der bei steuerbaren Bohrlochmotoren oder sich drehenden
steuerbaren Systemen verwendet werden kann.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen expandierbaren
Bohrmeißel
bereitzustellen, der, wenn er expandiert ist, eine kurze Nennlänge und
ein Kronenprofil mit einer Form aufweist, die für die Vollbohrkrone üblich ist,
und daher die gleiche Steuerbarkeit wie konventionelle steuerbare
Vollbohrkronen aufweist.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein expandierbarer Bohrmeißel für eine Verwendung
bei einer Erdbohranlage bereitgestellt, wobei der Bohrmeißel einen
Körper
mit zwei oder mehr Armen aufweist, die innerhalb von Schlitzen im
Körper montiert
sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme durch die Krone des
Bohrmeißels
bereitgestellt werden, die ein geteiltes Kronenprofil aufweist,
wobei jeder Arm eine Vielzahl von Schneidelementen auf einer Außenfläche des
Armes trägt.
Jeder Arm ist gelenkig innerhalb eines jeweiligen Schlitzes im Körper befestigt.
Die Arme sind zwischen einer ersten geschlossenen Position und einer
zweiten expandierten Position beweglich, und wobei sich zwei der
Arme miteinander in der ersten Position überdecken und nach außen in die
zweite Position expandiert werden, und wobei die Arme in der ersten
Position eine Schneidwirkung für
das Bohren bringen, und wobei die Schneidelemente in der zweiten
Position die volle überstrichene
Fläche
bis zu einem expandierten Nenndurchmesser ausschneiden werden.
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Vorzugsweise,
wenn sich die Arme in der zweiten expandierten Position befinden,
weist der Bohrmeißel
eine kurze Nennlänge
auf und das Profil der expandierten Krone ist ähnlich dem einer steuerbaren
Vollbohrkrone.
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Vorzugsweise
wird die Bewegung der Arme aus der ersten geschlossenen Position
in die zweite expandierte Position mittels der Bewegung einer Betätigungswelle
bewirkt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
treibt die Bewegung der Betätigungswelle
in einer Abwärtsrichtung
die Arme aus der ersten geschlossenen Position in die zweite expandierte
Position.
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Bei
einer alternativen Ausführung
hebt die Bewegung der Betätigungswelle
in einer Aufwärtsrichtung
die Arme aus der ersten geschlossenen Position in die zweite expandierte
Position an.
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Die
erste Ausführung
wird bevorzugt, da die Betätigungswelle
verwendet werden kann, um die Arme in einem stärkeren Maß zu stützen. Ebenfalls können Meißeldüsen näher an den
Schneidwerkzeugen für
eine größere hydraulische
Wirkung und dem Druckbereich angeordnet werden, und daher kann der
Axialdruck, der auf die Betätigungswelle
wirkt, um die Arme aufzudrücken,
viel größer werden,
während die
Gesamtlänge
des Meißels
für eine
größere Steuerbarkeit
minimiert wird.
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Vorzugsweise
wird die Bewegung des Betätigungselementes
mittels eines hydrodynamischen Druckabfalls angetrieben.
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Am
meisten bevorzugt wird der hydrodynamische Druckabfall durch eine
oder mehrere Düsen erzeugt,
die am untersten Ende des Betätigungselementes
befestigt sein kann.
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Vorzugsweise
steht die eine oder mehrere Düsen
mit einer Durchgangsbohrung in Verbindung, die durch das Betätigungselement
definiert wird.
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Vorzugsweise
weist das Betätigungselement eine
externe Stauchung an seinem untersten Ende auf, die die Arme trägt, wenn
sie in der ersten Position geschlossen sind, und die Arme in die
zweite expandierte Position bei Anwendung des hydraulischen Druckes
treibt, der erzeugt wird, indem die Bohrspülung gelenkt wird, die durch
die Öffnungen
oder Düsen
im Betätigungselement
strömt.
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Vorzugsweise
weisen die Arme ein inneres Profil auf, das mit dem externen Stauchungsende des
Betätigungselementes
so in Verbindung steht, dass das Stauchungsende des Betätigungselementes
die Arme sowohl in der ersten geschlossenen Position als auch in
der zweiten expandierten Position trägt.
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Vorzugsweise
ist der Bohrmeißel
für eine Verwendung
bei einer steuerbaren Bohrvorrichtung angepasst. Die steuerbare
Bohrvorrichtung kann einen Bohrlochmotor umfassen.
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Bei
einer Ausführung
werden die Arme aus der zweiten expandierten Position in die erste
geschlossene Position durch die Wirkung von Rückholfedern getrieben.
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Wahlfrei
ist eine erste Rückholfeder
eine verstärkte
Schraubenfeder.
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Alternativ
kann ein Satz von Tellerfedern als die erste Rückholfeder genutzt werden.
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Vorzugsweise
weist eine zweite Rückholfeder
einen Spaltring mit einer Windung auf.
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Vorzugsweise
ist die zweite Rückholfeder extern
zu den Armen angeordnet.
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Bei
einer zweiten Ausführung
werden die Arme aus der zweiten expandierten Position in die erste
geschlossene Position mit Hilfe der beiden sekundären Rückhohlfedern
zusammen gezogen, wobei die Federn intern zu den Armen angeordnet
sind.
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Vorzugsweise
weisen die Schneidelemente eine oder mehrere Reihen von Schneidwerkzeugen an
jedem Arm auf.
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Typischerweise
werden die Schneidwerkzeuge aus einem harten Material hergestellt,
wie beispielsweise Diamant oder Wolframkarbid.
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Vorzugsweise
sind die Schneidwerkzeuge angeordnet, um eine Doppelreihe von Schneidwerkzeugen
in der Mitte des Meißels
zu bilden.
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Wahlfrei
können
die Arme einen Sensor umfassen, um nachzuweisen, ob die Arme bis
zum beabsichtigten Nenndurchmesser heraus sind. Die Sensoraktivierung
kann ebenfalls bestätigen,
dass der Arm noch an Ort und Stelle ist, d.h., nicht abgerissen
wurde.
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Vorzugsweise
liegt der Sensor in der Form eines elektrischen Schalters vor, um
einen Stromkreis zu schließen,
und einer würde
vorzugsweise für jeden
Arm verwendet.
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Wahlfrei
kann der Bohrmeißel
einen Sensor enthalten, der die Bewegung der Betätigungswelle oder der Betätigungswellenkupplung
registriert.
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Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt als Beispiel mit Bezugnahme
auf die folgenden Fig. veranschaulicht, die zeigen:
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1 einen
expandierbaren Bohrmeißel
in einer geschlossenen Konfiguration und in detaillierter Schnittdarstellung
in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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2 den
expandierbaren Bohrmeißel
aus 1 in einer expandierten Konfiguration in detaillierter
Schnittdarstellung;
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3 die
Krone des expandierbaren Bohrmeißels in Schnittdarstellung
senkrecht zur Ansicht in 1;
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4 die
Krone des expandierbaren Bohrmeißels in Schnittdarstellung
senkrecht zur Ansicht in 2;
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5 eine
Ansicht der Krone des expandierbaren Bohrmeißels in einer geschlossenen
Konfiguration;
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6 eine
Ansicht der Krone des expandierbaren Bohrmeißels in einer expandierten
Konfiguration;
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7 und 8 das
Gelenk, an dem die Arme des expandierbaren Bohrmeißels montiert sind;
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9 einen
expandierbaren Bohrmeißel
in einer geschlossenen Konfiguration und in detaillierter Schnittdarstellung
in Übereinstimmung
mit einer zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung; und
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10 den
expandierbaren Bohrmeißel
aus 9 in einer expandierten Konfiguration und detaillierten
Schnittdarstellung.
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Zuerst
mit Bezugnahme auf 1 wird ein expandierbarer Bohrmeißel bei 1 abgebildet
und weist einen im Allgemeinen zylindrischen Körper 2, der an einem
Arbeitsstrang (nicht gezeigt) mittels entweder einem Bolzen- oder
Kastengewindeanschluss befestigt werden kann, und ein Betätigungselement 3 auf,
das als eine Welle gezeigt wird. Der Bohrmeißel 1 weist ebenfalls
vier Arme auf, die als Paare angeordnet sind und im Ergebnis dessen
ausgebildet sind, dass das unterste Ende des Bohrmeißels 1 ein
geteiltes Kronenprofil 4 aufweist, was aus der Ansicht
des Bohrmeißels 1 in 5 und 6 gesehen
werden kann. Genauer gesagt, die geteilte Krone 4 weist zwei
Paar Segmente oder Arme auf, wobei jeder Arm davon an einem Gelenk 5 befestigt
ist, das gestattet, dass der Arm vom Körper 2 des Meißels 1 ausschwenkt.
Ein einzelnes Gelenk 5 mit einem eingesetzten Bolzen kann
detaillierter in 7 gesehen werden, auf dem ein
einzelner Arm des Bohrmeißels 1 aufliegt.
In der Querschnittsabbildung des Bohrmeißels in 1 kann ein
Paar Arme 6 gesehen werden. Ein zweites Paar Arme 7,
wie es in 3 und 4 gesehen
wird, erstreckt sich senkrecht zum Paar der Arme 6, das
in 1 gezeigt wird. Die Arme 6 und 7 sind
mit einer Vielzahl von Schneidelementen 8 aus einem harten
Material ausgestattet, typischerweise Wolframkarbid oder polykristalliner
Diamant, die die Erde berühren
und bohren, wenn sich die Arme 6 und 7 in einer
expandierten Konfiguration befinden. Die Arme 6 und 7 weisen
jedoch ein externes Profil auf, so dass, wenn sie in den Körper 2 des
Meißels 1 zusammengelegt
oder geschlossen werden, die Schneidelemente 8 nicht die
Futterrohrbohrung aufweiten. Jeder Arm 6 und 7 kann
eine einzelne oder eine Doppelreihe von Schneidwerkzeugen tragen. Die
Arme 6 und 7 können
ebenfalls so konstruiert werden, dass in der in 5 gezeigten
geschlossenen Position eine Doppelreihe von Schneidwerkzeugen vorhanden
ist, die Rückseite
an Rückseite
in der Mitte des Meißels 1 montiert
sind, um zu schützen und
eine Schneidwirkung für
das Bohren zu bringen, wenn die Arme 6 und 7 in
einer geschlossenen Position sind. Die Arme 6 und 7 bilden
eine T-Form um den Bereich des Gelenkbolzens 5, die verhindert, dass
sie im Bohrloch zurückgelassen
werden, wenn der Gelenkbolzen 5 bricht.
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Düsen 9 sind
am untersten Ende der Betätigungswelle 3 angebracht
und stehen mit einer Fluiddurchgangsbohrung 10 in Verbindung,
die durch den Körper
der Betätigungswelle 3 definiert
wird. Die Düsen 9 können dauerhaft
oder lösbar
an der Betätigungswelle 3 befestigt
werden, um das Herausspritzen der Bohrspülung zu gestatten. Bei der
abgebildeten Ausführung
sind insgesamt vier Düsen 9 an
der Betätigungswelle 3 angebracht,
obgleich erkannt wird, dass die Anzahl der Düsen 9, die angebracht werden
können,
nicht begrenzt ist und nur durch die Raumbeschränkungen der Größe der Betätigungswelle 3 begrenzt
wird. Die Düsen 9 werden
für das normale
Spülen
der Meißelfläche benutzt,
wenn gebohrt wird, um jeglichen Aufbau von Bohrklein zu entfernen,
das sich unmittelbar vor dem Betätigungselement 3 und
den Armen 6 und 7 ansammeln kann, und ebenfalls,
um einen hydraulischen Druckabfall zu liefern, der die Betätigungswelle 3 bewegt.
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Die
Arme 6 und 7 des Bohrmeißels 1 können sich
zwischen einer ersten Position, die in 1 gezeigt
wird, bei der sie gegen den Körper 2 des
Bohrmeißels 1 geschlossen
sind, und einer zweiten Position bewegen, die in 2 gezeigt
wird, in der sie vom Körper 2 weg
expandiert sind. Die Bewegung der Arme 6 und 7 aus
der ersten geschlossenen in die zweite expandierte Position erfolgt,
wenn ein Druckabfall über
die Baugruppe der Düsen 9 erzeugt wird,
wodurch die Betätigungswelle 3 nach
unten bewegt wird. Die Betätigungswelle 3 treibt
die Arme 6 und 7 nach außen in ihre Nennstoppposition
und wirkt, um die Arme 6 und 7 und die Gelenkbolzen 5 zu
tragen und zu verstärken.
Aus 1 bis 4 wird man sehen, dass das unterste
Ende des Betätigungselementes 3,
d.h., das Ende, das der Krone des Bohrmeißels 1 am nächsten ist,
eine externe Stauchung 11 aufweist. Die Arme 6 und 7 weisen
ein entsprechendes inneres Profil 12 auf, das mit dem Stauchungsende 11 des
Betätigungselementes 3 in Verbindung
steht (3 und 4). Wenn es gewünscht wird,
dass die Arme 6 und 7 expandiert werden (4),
wird Fluid in die Betätigungswelle 3 durch
die Bohrung 10 und durch die Düsen 9 geführt, was
einen ausreichenden hydrodynamischen Druckabfall erzeugt, um die
Betätigungswelle 3 in
einer Abwärtsrichtung
zu bewegen. Im Ergebnis dessen wird sich das Stauchungsende 11 des
Betätigungselementes 3 nach
unten in der Richtung des in 3 gezeigten
Pfeiles bewegen, um mit einem entsprechenden Vorsprung in Verbindung
zu kommen, der im inneren Profil 12 der Arme 4 angeordnet
ist, wie in 4 gesehen wird, wodurch die
Arme 6 und 7 nach außen in die zweite expandierte
Position getrieben werden. Das Betätigungselement 3 trägt die Arme 6 und 7,
wenn sie expandiert sind, gegen der nach innen gerichteten Kraft,
die auf sie durch die Wände der
Bohrung trifft. Um die Arme 6 und 7 in der geschlossenen
Position zu halten, wird die Strömungsgeschwindigkeit
durch die Düsen 9 minimiert,
um den hydrodynamischen Druck unterhalb dem zu halten, der erforderlich
ist, um die Betätigungswelle 3 in
einer Abwärtsrichtung
anzutreiben, um die Arme 6 und 7 zu expandieren.
Ein Scherbolzen kann ebenfalls in den Meißel 1 zwischen jedem
Arm 6 und 7 und der Betätigungswelle 3 oder
zwischen der Betätigungswelle 3 und
dem Körper 2 eingebaut
werden.
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Bei
der beschriebenen Ausführung
bewirkt der hydrodynamische Druckabfall, dass sich das Betätigungselement 3 in
einer Abwärtsrichtung
bewegt, wo es mit einem Innenprofilvorsprung 12 auf den
Armen 6 und 7 in Eingriff kommt, um sie nach außen vom
Körper 2 des
Bohrmeißels 1 zu
expandieren. Es wird jedoch erkannt, dass bei einer alternativen
Ausführung
der vorliegenden Erfindung die Betätigungswelle 3 so
angepasst werden kann, dass sie in einer Aufwärtsrichtung durch den Druckabfall
angetrieben wird, wobei bei einer Bewegung nach oben das Betätigungselement 3 die
Arme 6 und 7 in eine expandierte offene Konfiguration
anhebt.
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Die
Betätigungswelle 3 wird
an einer Drehung mit Bezugnahme auf den Körper 2 durch vier (als
Beispiel) Bolzen gehindert, so dass der Ansatz der Betätigungswelle
die vier Arme verstärken
wird, wenn ein Drehmoment auf sie angewandt wird. Eine Passfeder
könnte
ebenfalls verwendet werden. Der Ansatz der Betätigungswelle 3 weist
ein gefrästes Profil
auf, um die Arme mit Bezugnahme auf das Drehmoment zu stützen, das
zur Anwendung kommt, wenn gebohrt wird.
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Die
Rückseite
der Arme 6 und 7 ist so konstruiert, dass sie
einen geringen Winkel mit Bezugnahme auf den Lochdurchmesser aufweist.
Das gestattet die Anwendung einer maximalen Kraft in dem Fall, dass
die Arme 6 und 7 in der zweiten expandierten Position
hängenbleiben,
so dass, wenn der Bohrmeißel 1 nach
oben gegen den Futterrohrschuh (nicht gezeigt) gezogen wird, die
Arme 6 und 7 gegen den Körper 2 des Bohrmeißels 1 mit
einer maximalen Kraft zurückgetrieben
werden. Diese kegelförmige Fläche könnte ebenfalls
Schneidwerkzeuge aufweisen, die für ein Nachaufweiten angebracht
sind, wenn sie aus dem Loch herausgezogen werden.
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Es
wird erkannt werden, dass es an einer gewissen Stelle vor dem Arbeiten
der Vorrichtung erforderlich sein kann, die Größe der Düsen 9 zu prüfen, um
zu ermitteln, ob sie sich für
die erforderliche Bohrlochhydraulik für den Ablauf eignen. Bei der
bevorzugten Ausführung
wird der Bohrmeißel 1 so
mit Düsen
versehen sein, dass sich die Arme 6 und 7 bei
einem minimalen hydrodynamischen Druck von annähernd 689 kPa (100 psi) auszudehnen
beginnen und bis zu 1,4 Mpa (200 psi) vollständig expandiert werden, obgleich
erkannt wird, dass diese Drücke
für die speziellen
Bohranwendungen und -bedingungen variiert werden könnten. Das
gestattet, dass eine minimale Zirkulation durch den Meißel 1 für eine Schmierung
abläuft,
ohne dass die Arme 6 und 7 expandiert werden.
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Um
die Düsen 9 vor
der Verwendung zu verändern,
wird eine Gewindestange 13, die bereits in eine Kupplung
geschraubt ist, in die Fluiddurchgangsbohrung 10 des Bohrmeißels 1 eingesetzt,
wie in 2 gesehen werden kann. Die Kupplung wird auf den
Bohrmeißel 1 geschraubt,
typischerweise auf das Eintrittsbolzen- oder Kastengewinde, das
den Bohrmeißel 1 mit
einem Arbeitsstrang (nicht gezeigt) bei Verwendung verbindet. Die
Betätigungswelle 3 kann
dann durch Drehen der Gewindestange 13 in die Kupplung
nach unten getrieben werden, um die Arme 6 und 7 weg
vom Körper 2 zu
treiben, wodurch ein Zugang zu den Düsen 9 gestattet wird,
die zwischen den Armen 6 und 7 auf der expandierten
Fläche
des Meißels 1 angeordnet
sind (6). Die Düsen 9 können bei
Verwendung eines normalen Meißeldüsenschraubenschlüssels (nicht
gezeigt) entfernt und ausgewechselt werden.
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Damit
der Bohrmeißel 1 durch
die Verengungen hindurchgehen kann, wie beispielsweise eine Bohrung
mit engem Durchmesser oder ein Futterrohr an Ort und Stelle, ist
es erforderlich, dass die Arme 6 und 7 des Bohrmeißels 1 geschlossen
werden. Das wird mittels zwei Federn bewirkt, die die Arme 6 und 7 in
den Körper 2 zurücktreiben.
Die erste Feder 14 ist eine innere verstärkte Schraubenfeder,
während die
zweite ein Spaltring 15 mit einer Windung ist, der um die
Außenseite
der vier Arme 6 und 7 in dem Bereich genau außerhalb
der Gelenkbolzen 5 montiert ist. Die zweite Feder 15 führt eine
zwangläufigere Rückführkraft
direkt zu den Armen 6 und 7 zu, wenn das Betätigungselement 3 in
die Position zurückkehrt,
die in 3 gezeigt wird.
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Es
wird erkannt, dass, obgleich die Federn bei der beschriebenen Ausführung extern
zu den Armen 6 und 7 angeordnet sind, bei einer
alternativen Ausführung
zwei oder mehr Federn auf der Innenseite der Arme 6 und 7 verwendet
werden könnten,
die sie zusammen ziehen. Außerdem
könnte
die erste Feder alternativ ein Satz Tellerfedern sein.
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8 veranschaulicht
eine Schnittdarstellung durch den Gelenkabschnitt des Bohrmeißels 1. In 8 können vier
Gelenke 5 in Position um die Betätigungswelle 3 gesehen
werden.
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Die
Gelenke 5 sind zwischen dem Körper 2 des Werkzeuges
und den Armen (nicht gezeigt) positioniert, wobei jeder Arm an einem
Gelenk 5 befestigt ist, das gestattet, dass sich der Arm
bei Bewegung der Betätigungswelle 3 weg
vom Körper 2 expandiert.
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Man
beachte ebenfalls, dass jedes Paar Arme mittels eines Führungsstiftes
verbunden werden könnte,
wobei einer der Arme einen Stift aufweist, der fest mit einem Schlitz
im benachbarten passenden Arm übereinstimmt.
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Der
Bohrmeißel 1 weist
vorzugsweise ebenfalls reibungsarme Kolbendichtungen, die PTFE-Dichtungen mit Runddichtringverstärkern sein können, zwischen
dem Körper 2 und
der Welle 3 auf die die Kraft minimieren, die von der Schraubenfeder 15 verfügbar ist,
um die Betätigungswelle 3 zurückzuführen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
weist die Bohrung 10 des Körpers 2 eine korrosionsbeständige Beschichtung
oder Behandlung derart auf, dass die Dichtungen auf einer glatten
Oberfläche
arbeiten.
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9 und 10 veranschaulichen
einen expandierbaren Bohrmeißel
entsprechend einer zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Ähnliche
Teile wie jene der ersten Ausführung,
die in 1 bis 8 gezeigt wird, erhalten die
gleichen Bezugszahlen aber mit dem Zusatz „A".
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Der
expandierbare Meißel 1A ist
jetzt so, dass die auf den Meißel
angewandte Bohrlast vollständig
durch das innere Mantelrohr/Betätigungswelle 3A aufgenommen
wird. Das bedeutet, dass die Anwendung des Bohrgewichtes auf den
Meißel
jetzt die Arme 6A, 7A in der expandierten Position
hält, zusätzlich zu
der hydraulischen Kraft, die auf einen inneren Kolben 18 wirkt.
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Das
Werkzeug 1A wird hydraulisch infolge des Druckabfalls betätigt, der
durch Drosseln des Stromes der Bohrspülung durch die Düsen 9A im Kopf 16 des
Meißels
erzeugt wird. Einfach das Anwenden des Bohrgewichtes auf das Werkzeug 1A in der
geschlossenen Position würde
ebenfalls dazu neigen, die Arme 6A, 7A zu expandieren,
ist aber nicht ein hauptsächliches
Betriebsmerkmal.
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Ein
innerer hydraulischer Druck wird auf die Kammer 17 über dem
Kolben 18 angewandt, der am inneren Mantelrohr 3A mittels
der radialen gebohrten Löcher 19 im
Mantelrohr 3A montiert ist. Die erzeugte Kraft bewegt den äußeren Zylinder 2A axial
nach oben, wobei die Feder 14A zusammengedrückt wird und
die Arme 6A, 7A nach oben über das Profil des Kopfes 16 in
die expandierte Position gezogen werden.
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Die
Arme 6A, 7A werden jetzt innerhalb der Schlitze 20 im
Kopf für
eine größere Festigkeit
eingezwängt.
Führungsstifte 21 wirken
auf die Schlitze 20, die maschinell in den Armen 6A, 7A hergestellt
wurden, um zu sichern, dass die Arme 6A, 7A in
die geschlossene Position beim Ausheben der Druckdifferenz zurückkehren,
wie es hierin vorangehend beschrieben wird. Man beachte, dass eine
sekundäre Feder
nicht mehr verwendet wird, um die Arme 6A, 7A zu
schließen.
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Ein
weiteres charakteristisches Merkmal der zweiten Ausführung des
Meißels 1A ist,
dass das Ziehen nach oben beim Werkzeug 1A dazu neigen wird,
die äußere Hülse 2A nach
unten zu ziehen, wodurch die Arme 6A, 7A in die
geschlossene Position bewegt werden.
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Ein
weiteres charakteristisches Merkmal der zweiten Ausführung des
Meißels 1A umfasst
zwei Sensoren 22, 23.
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Die
Arme 6A und 7A sind mit Sensoren 22A-D
ausgestattet. Die Sensoren 22A-D sind elektronische Sensoren,
die signalisieren, wenn die Arme 6A und 7A in
der Nenngröße heraus
sind. Dieses Signal wird in ein MWD-Werkzeug hinter dem Meißel 1A zurückgesendet,
oder möglicherweise
ein Gerätebohrlochmotor,
und danach direkt zur Erdoberfläche übertragen,
so dass der Bediener Kenntnis von der Konfiguration des Meißels 1A hat,
während
er in das Bohrloch fährt.
Die Sensoren 22A-D, die aktiviert werden, würden ebenfalls
bestätigen,
dass die Arme 6A und 7A noch in Position sind,
d.h., nicht abgerissen wurden. Der Sensor 23 ist ebenfalls
am Meißel 1A angebracht.
Der Sensor 23 registriert die Bewegung der Betätigungswelle 3A.
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Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bisherigen Stand der
Technik ist der, dass ein wirklich expandierbarer Bohrmeißel im Gegensatz
zu einem versetzten Doppelzentriermeißel oder einem Unterschneider
für eine
Verwendung in Verbindung mit einem normalen Bohrmeißel bereitgestellt wird.
Der expandierbare Bohrmeißel
wird daher dadurch gekennzeichnet, dass er alle bewährten Eigenschaften
eines normalen steuerbaren Bohrmeißels aufweist, wobei eine kurze
Nennlänge
mit einer normalen Kronenprofilform am bemerkenswertesten ist, und
bei der steuerbaren Bohrvorrichtung verwendet werden kann, dass
er aber ebenfalls einen veränderlichen
Durchmesser aufweist, der den Durchgang des Bohrmeißels durch
einen Bereich eines Bohrloches oder Futterrohres mit einem verengten
Durchmesser erleichtert, um einen Abschnitt der Bohrung mit einem
größeren Durchmesser
unterhalb des verengten Bereiches zu bohren.
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Weitere
Abwandlungen und Verbesserungen können eingeschlossen werden,
ohne dass man vom Bereich der Erfindung abweicht, wie er hierin
beabsichtigt ist.