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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bohrmeißel zum
Bohren eines Bohrloches in einen Gegenstand, wobei der Bohrmeißel einen
Meißelkörper aufweist,
der sich um eine zentrale Längsachse
erstreckt, wobei der Bohrmeißel
durch Drehung um die zentrale Längsachse
betätigbar
ist.
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Ein
erweiterbarer Bohrmeißel
ist bekannt und in der Patentveröffentlichung
GB 2 365 888 A beschrieben.
Der bekannte Bohrmeißel
umfaßt
zwei Schwenkarme, die mit Schneidern versehen sind. In der zurückgezogenen
Position schneiden die Arme eine Bohrung, welche dem Meißelkörper einen
Freiraum schafft, und in der erweiterten Position schneiden sie
eine größere Bohrung.
In der erweiterten Position schneidet ein Pilotabschnitt die Mitte
des Bohrloches, und die Arme schneiden den Durchmesserbereich.
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Die
US-A-3 208 540 offenbart einen Bohrmeißel mit einem Meißelkörper und
erweiterbaren Schneidarmen, die in entsprechenden Schlitzen von Blöcken aufgenommen
sind. Jeder Block hat eine nach unten ragende Schulter, welche die
Axiallasten zwischen dem Meißelkörper und
dem entsprechenden Schneidarm überträgt, wenn
der letztere sich in seiner erweiterten Position befindet. Das Übertragen des
Drehmomentes tritt zwischen den Seitenwänden der Schlitze und den voreilenden
und nacheilenden Seiten der Schneidarme auf.
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Die
GB-A 2 320 270 offenbart einen Bohrmeißel mit einem Meißelkörper, der
mit erweiterbaren Klingen ausgestattet ist. Der Meißelkörper definiert einen
Anschlag zum Abstützen
der erweiterten Klingen, wobei der Anschlag mit einer hinteren Fläche bzw.
einer oberen Fläche
jeder erweiterten Klinge in Eingriff kommt.
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Die
US-A-2 822 150 offenbart einen Bohrmeißel mit einem Meißelkörper, der
mit erweiterbaren Klingen ausgestattet ist, die in langgestreckten Schlitzen
des Meißelkörpers vorgesehen
sind. wenn jede Klinge nach außen
erweitert ist, greift ihre obere Fläche an einem oberen Anschlagelement
an, das im oberen Teil des entsprechenden Schlitzes vorgesehen ist.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, den Bohrmeißel zu verbessern. Insbesondere
ist es ein Ziel der Erfindung, einen Bohrmeißel zu schaffen, der verläßlicher zwischen
einer erweiterten und einer zurückgezogenen
Position schaltbar ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Bohrmeißel zum
Bohren eines Bohrloches in einen Gegenstand geschaffen, wobei der
Bohrmeißel
eine zentrale Längsachse
und einen Meißelkörper aufweist,
der mit einem zentralen Schaft versehen ist, um den Bohrmeißel mit
einem Bohrsystem zu verbinden, wobei der Bohrmeißel ferner zumindest einen
Schneidarm aufweist, wobei jeder Schneidarm mit einem Satz von Schneidern
zum Schneiden des Gegenstandes versehen und mit dem Meißelkörper über Schwenkmittel
gekuppelt ist, die gestatten, daß der Schneidarm zwischen einer
radial zurückgezogenen Position
und einer radial erweiterten Position schwenken kann, wobei der
Bohrmeißel
mit Stützmitteln
zum Abstützen
des Schneidarmes in der radial erweiterten Position desselben versehen
ist, wobei die Stützmittel
so angeordnet sind, daß sie
zumindest einen Teil des Drehmomentes, das während des Bohrens erzeugt wird,
von dem Schneidarm auf den Meißelkörper übertragen,
um die Übertragung
des Drehmomentes über
die Schwenkmittel zu reduzieren oder zu verhindern, wobei die Stützmittel
eine axiale Endfläche
des Meißelkörpers umfassen,
die so angeordnet ist, daß sie
Axiallasten von dem Schneidarm auf den Meißelkörper überträgt, wenn sich der Schneidarm
in der radial erweiterten Position befindet, dadurch gekennzeichnet,
daß die
axiale Endfläche
mit einem Profil zum Übertragen des
zumindest einen Teiles des Drehmomentes von dem Schneidarm auf den
Meißelkörper ausgestattet
ist.
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Durch
das Vorsehen der Stützmittel
werden die Schwenkmittel von der Aufnahme der vollen Drehmomentbelastung
entlastet. Es wird dadurch erreicht, daß die Schwenkmittel bei der Übertragung von
hohen Lasten weniger beschädigungsanfällig sind,
ohne die Verläßlichkeit
des Umschaltens des Bohrmeißels
aus der zurückgezogenen
in die erweiterte Position und umgekehrt zu verlieren.
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Gemäß einem
anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Hydrauliksystem zum Betreiben
einer Schwenkbewegung eines schwenkbaren Werkzeugarmes zwischen
einer radial zurückgezogenen
Position und einer radial erweiterten Position, wobei das Hydrauliksystem
einen Zylinder und ein Kolbenmittel aufweist, das in dem Zylinder
gleitverschieblich angeordnet ist, und eine Antriebskammer auf einer
Seite des Kolbenmittels sowie eine Rückkammer auf der anderen Seite
des Kolbenmittels bildet, wobei das Kolbenmittel eine vordere und
eine hintere Position in dem Zylinder einnimmt, wobei das Kolbenmittel
in seine hintere Position bewegbar ist, indem die Antriebskraft,
die auf den Kolben wirkt, infolge des Druckes in der Antriebskammer
die Rückstellkraft überschreitet,
die auf den Kolben infolge des Druckes in der Rückstellkammer einwirkt, wobei
das Kolbenmittel mit dem schwenkbaren Werkzeugarm gekuppelt ist,
um den Werkzeugarm aus der zurückgezogenen Position
in seine erweiterte Position zu treiben, wenn der Kolben in seine
hintere Position getrieben wird, wobei das Kolbenmittel mit einem
Absperrmittel gekuppelt ist, das derart angeordnet ist, daß die Rückstellkraft,
die auf den Kolben einwirkt, infolge des Druckes in der Rückstellkammer
die Antriebskraft überschreitet,
die auf den Kolben infolge des Druckes der Antriebskammer einwirkt,
wenn sich das Kolbenmittel an oder nahe seiner vorderen Position
befindet, wogegen das Gegenteilige der Fall ist, wenn sich das Kolbenmittel
in einer Position befindet, die an oder nahe seiner vorderen Position
liegt.
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Wenn
sich der Werkzeugarm in seiner zurückgezogenen Position befindet,
kann das Kolbenmittel an oder nahe seiner vorderen Position angeordnet
werden, wobei das Absperrmittel derart geschaltet wird, daß es das
Kolbenmittel in die vordere Position vorspannt. Wenn das Kolbenmittel
mechanisch aus seiner vorderen Position bewegt wird, wird das Absperrmittel
geschaltet, weil es mit dem Kolbenmittel gekuppelt ist, was darin
resultiert, daß infolge
des Druckes in der Antriebskammer eine Antriebskraft auf den Kolben
einwirkt, welche die Rückstellkraft,
die auf den Kolben infolge des Druckes in der Rückstellkammer einwirkt, übersteigt.
Folglich wird der Werkzeugarm in seine erweiterte Position geschwenkt
und in dieser Position durch das Kolbenmittel gehalten. Die Startsituation,
in welcher das Kolbenmittel wieder in seine vordere Position vorgespannt
wird, kann wiederhergestellt werden, indem das Kolbenmittel mechanisch
in seine vordere Position gezwungen wird, oder durch Vorsehen von
zusätzlichen
Absperrmitteln zum Regeln des Druckes innerhalb der Antriebskammer
und der Rückstellkammer,
um das Kolbenmittel auf Befehl vorwärts zu bewegen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter an einem Beispiel unter
Bezugnahme auf die angeschossenen Zeichnungen beschrieben, in denen
zeigen:
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1 schematisch
eine Längsansicht,
teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform
des Bohrmeißels
gemäß der Erfindung
in der radial zurückgezogenen
Position;
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2 schematisch
eine Längsansicht,
teilweise im Schnitt, des Bohrmeißels nach 1 in
der radial erweiterten Position;
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3 schematisch
einen Querschnitt 3-3 in 2.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
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Unter
Bezugnahme auf die 1–3 ist ein
Bohrmeißel 1 zum
Bohren eines Bohrloches in eine Erdformation gezeigt, wobei der
Bohrmeißel
einen Pilotabschnitt 1a, der mit Fluiddüsen 1b ausgestattet
ist, und einen Schneidaufbau 1c ähnlich dem Schneidaufbau eines üblichen
Bohrmeißels
aufweist. Der Pilotabschnitt 1a hat einen Durchmesser D1,
der geringfügig
kleiner als der Durchmesser des Eintrittsteiles des Bohrloches ist,
beispielsweise definiert durch ein Auskleidungsrohr (nicht gezeigt),
das im oberen Teil des Bohrloches vorhanden ist. Außerdem hat
der Bohrmeißel
einen Schaft 2, der mit einem Gewinde 3 versehen
ist, um den Bohrmeißel
mit einem (nicht gezeigten) Bohrstrang zu verbinden. Der Pilotabschnitt 1a ist
mit einem Rohr 6 fest verbunden, das axial gleitverschieblich
in dem Schaft 2 aufgenommen ist, wobei das Rohr 6 mit
einem Kolben 7 ausgestattet ist. Somit können der
Pilotabschnitt 1a, das Rohr 6 und der Kolben 7 axial
relativ zum Schaft 2 gleiten. Der Schaft 2 ist
mit zwei gegenüberliegenden Lippen 8 ausgestattet,
wobei jede Lippe 8 eine flache Innenfläche 8a hat (3),
die sich gegen eine korrespondierende flache Außenfläche 8b des Pilotabschnittes 1a erstreckt,
wenn sich der Pilotabschnitt 1a in seiner obersten Position
relativ zum Schaft 2 befindet (2).
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Der
Bohrmeißel 1 ist
ferner mit Schneidarmen in Form von Nachbohrschneidarmen 9 ausgestattet,
die mit dem Schaft 2 über
Schwenkmittel in Form von Gelenken 10 verbunden sind, die
von den Lippen 8 getragen werden. Jeder Nachbohrschneidarm 9 ist
um ein entsprechendes Gelenk 10 zwischen einer radial zurückgezogenen
Position, in welcher der Nachbohrschneidarm 9 im wesentlichen
mit dem Pilotabschnitt 1a fluchtet, und einer erweiterten
Position, in welcher sich der Nachbohrschneidarm 10 auf einen
größeren Durchmesser
als der Pilotabschnitt 1a erstreckt, drehbar. Der Schaft 2 ist
an seinem unteren Ende mit einem ringförmigen Verriegelungsring 12 versehen,
der eng in eine entsprechende Ringnut 14 paßt, die
in dem Nachbohrschneidarm 9 vorgesehen ist, wenn sich der
Arm 9 in der radial erweiterten Position befindet. Außerdem sind
der Verriegelungsring 12 und die Nut 14 mit gezahnten
Profilen (nicht gezeigt) versehen, damit das Schneide-Drehmoment,
das während
des Betriebes des Bohrmeißels 1 erzeugt
wird, von dem Nachbohrschneidarm 9 über die gezahnten Profile auf
den Schaft 2 übertragen wird.
Statt der gezahnten Profile kann jedes geeignete Profil an dem Verriegelungsring 12 und
den Nuten 14 vorgesehen werden, um die Lasten und Drehmomente
zwischen den Armen 9 und dem Schaft 2 zu übertragen,
beispielsweise ein gestuftes Profil.
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Der
Kolben 7 definiert in dem Schaft 2 zwei ringförmige Kammern,
wobei eine Kammer 16 unterhalb des Kolbens mit der Bohrung
des Rohres 6 über eine Öffnung 18 verbunden
ist. Diese Öffnung 18 ist durch
den Schaft 2 verschließbar,
wenn sich der Kolben 7 in seiner untersten Position befindet.
Eine Kammer 19 oberhalb des Kolbens 7 ist mit
dem Bohrlochringraum verbunden (nicht gezeigt), der zwischen dem
Bohrmeißel 1 und
dem Bohrloch über eine Öffnung 20 gebildet
wird. Wenn ein Bohrfluid durch den Meißel 1 zirkuliert,
verursacht der Druckabfall über
die Fluiddüsen 1b eine
Nettokraft nach oben auf das Rohr 6, weil die ringförmige Kolbenfläche größer als
die Fläche
des Rohres 6 ist.
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Im
Falle zwei Nachbohrschneidarme 9 symmetrisch vorgesehen
sind, hat der Meißel 1 einen kraftausgeglichenen
Schneidaufbau für
jede Position des Armes 9. Die Außenfläche der Lippen 8 des Schaftes 2 können mit
einer verschleißfesten
Lage versehen sein, um eine zusätzliche
Seitenstabilisierung des Bohrmeißels zu erreichen.
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Wenn
ein übergroßes Loch
mit einer Auskleidung in eine Erdformation gebohrt wird, ist die
Vorgangsweise wie folgt:
Der Meißel 1 wird durch die
Auskleidung abgesenkt, wobei sich der Pilotabschnitt 1 axial
von dem Schaft 2 wegerstreckt, und sich die Nachbohrschneidarme 9 in
ihren entsprechenden zurückgezogenen
Positionen befinden (wie in 1 gezeigt).
Der Pilotabschnitt 1a wird in der axial erweiterten Position
mittels eines Scherstiftes gehalten, der in dem Schaft 2 vorgesehen
ist, was eine Bewegung des Rohres 6 in dem Schaft 2 nach
oben verhindert. Der Bohrmeißel 1 wird
ferner durch das offene Bohrloch unterhalb der Auskleidung geführt, damit
die Bohranordnung in dem unteren Teil der Auskleidung verriegelt
werden kann. Dann wird die Bohranordnung zum Boden des Bohrloches
geführt.
Während
dieser Operation ist eine Schlammzirkulation möglich, ohne daß die Nachbohrschneidarme 9 betätigt werden,
weil die Öffnung 18 im
Rohr 6 durch den Schaft 2 geschlossen ist, wenn
sich der Kolben in seiner untersten Position befindet. Sobald der
Pilotmeißel
den Boden des Bohrloches berührt,
wird das Rohr 6 relativ zum Schaft nach oben bewegt, wodurch
der Scherstift 22 bricht, worauf die Öffnung 18 öffnet. Der
Druckabfall über
die Bohrmeißeldüsen tendiert
dazu, den Meißel zu
verschließen.
Durch Verschließen
des Meißels werden
die Nachbohrschneidarme 9 nach außen bewegt und enden in ihrer
er weiterten Position, wie dies schematisch in 2 gezeigt
ist.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 2, wenn die Arme 9 in
der vollständig
erweiterten Position sind, schnappen die Lippen 8 des Schaftes 2 um
die flachen Außenflächen 8b des
Pilotabschnittes 1a. Gleichzeitig schnappt der Verriegelungsring 12 am unteren
Ende des Schaftes 2 in die Nuten 14 in den Nachbohrschneidarmen 9.
Das Zusammenwirken des Verriegelungsringes 12 und der Nuten 14 der Nachbohrschneidarme 9 verhindert
eine Drehung der Arme 9 relativ zum Schaft 2 in
Richtung der Drehung des Meißels.
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Sobald
sich der Pilotmeißel
in seiner obersten Position befindet, wodurch sich die Nachbohrschneidarme 9 in
ihrer vollständig
erweiterten Position befinden, wird das Bohrmoment des Pilotmeißels über die
Lippen 8 auf den Schaft 2 und nachfolgend über die
Gewindeverbindung 3 auf die Bohranordnung übertragen.
Das Gewicht auf den Pilotabschnitt 1a wird über die
Nachbohrschneidarme 9 und den Verriegelungsring 12 auf
den Schaft 2 und nachfolgend über den Gewindeabschnitt 3 auf
die Bohranordnung übertragen.
Das Gewicht der Nachbohrschneidarme 9 wird über den
Verriegelungsring 12 auf den Schaft 2 übertragen,
und das Drehmoment der Nachbohrschneidarme 9 wird über die
gezahnten Abschnitte des Verriegelungsringes 12 auf den Schaft übertragen.
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Sobald
somit die Arme 9 in der erweiterten Position sind, ist
der Erweiterungsmechanismus nicht den Bohrlasten ausgesetzt, wodurch
der Bohrmeißel
sehr robust ist. Tatsächlich
wirkt der erweiterte Bohrmeißel
wie ein einstückiger
solider Meißelkörper.
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Der
Bohrmeißel
kann auch verwendet werden, um vorherige Auskleidungsschuhe auszubohren,
die in einer Glocke vorhanden sind, oder vorherige Auskleidungsschuhe
auszubohren, die Teil eines konventionellen Auskleidungsbohrsystems
sind.
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In
diesem Fall ist die Prozedur wie folgt. Nachdem die Bohranordnung
in der Auskleidung verriegelt ist, wird die Auskleidung in das ausgekleidete Bohrloch
abgesenkt, bis die Oberseite des Zements erreicht ist. Die Öffnung 18 wird
dann durch eine Bewegung des Pilotabschnittes 1a nach oben
relativ zum Schaft 2 geöffnet.
Bei der Zirkulation des Bohrfluids, wie Schlamm, wird eine axiale
Zusammenziehkraft aufgebracht, und der Bohrmeißel tendiert dazu, sich zu
schließen,
wodurch die Nachbohrschneidarme 9 nach außen gedrückt werden.
Während
der Drehung des Meißels öffnen die
Nachbohrschneidarme 9 das Bohrloch, bis die Schneidelemente
an den Nachbohrschneidarmen 9 den Stahl der vorherigen
Auskleidung kontaktieren, die bereits installiert ist. Diese Schneidelemente
sollten so ausgebildet sein, daß sie
den Stahl nicht schneiden. Dies kann beispielsweise durch Verwendung
von Schneidelementen mit einem großen negativen Anstellwinkel
erreicht werden, ähnlich
jenem, der für
bizentrierte Schneidmeißel
angewendet wird.
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Während des
Ausbohrens des Zements aus dem Auskleidungsschuh kratzen die Nachbohrschneidarme 4 den
Zement von der Innenwand der installierten Auskleidung oder der
Glockenfläche
der installierten Auskleidung.
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Sobald
sich die Nachbohrschneidarme 9 in das offene Loch unterhalb
der vorherigen Auskleidung erstrecken, wird die Schneidstruktur
befähigt, das
ganze Loch zu öffnen,
damit die Arme 9 ihre vollständig erweiterte Position erreichen
können,
wie dies in den 2 und 3 gezeigt
ist.
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Ein
Designmerkmal, das zum Ausbohren des Auskleidungsschuhs erforderlich
ist, besteht darin, daß der
Pilotabschnitt 1a in der Meißeldrehrichtung relativ zum
Schaft 2 des Meißels
verriegelbar ist, u.zw. in jeder Position des Kolbens 7.
Dies kann erreicht werden, indem die Länge der Lippen 8 und
die Größe der flachen
Abschnitte 8b des Außendurchmessers
des Pilotabschnittes 1a erhöht wird, so daß sie alle
gleichzeitig angreifen. Alternativ kann der Oberteil des Rohres 6 mit
Teilen ausgestattet sein, die im Oberteil des Schaftes 2 gleiten,
um eine Drehung des Pilotabschnittes 1a relativ zum Schaft 2 zu verhindern.
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Während des
Ausbohrvorganges eines Auskleidungsschuhs wird das Bohrdrehmoment
von den Nachbohrschneidarmen 9 über die Gelenke 10 auf den
Schaft 2 übertragen.
Alternativ kann die Zwischenfläche
zwischen den Nachbohrschneidarmen und dem Pilotabschnitt mit radialen
Schlitzen ausgestattet sein, welche das Drehmoment von den Armen auf
den Schaft übertragen.
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In
Summe schafft die Erfindung einen erweiterbaren Bohrmeißel, der
in verschiedenen Positionen bohren kann. In der erweiterten Position
sind die Nachbohrschneidarme an Ort und Stelle durch eine hydraulische
Kraft verriegelt. Sobald die Arme verriegelt sind, werden die Bohrkräfte, einschließlich des Drehmomentes
auf den Meißel
und/oder das Gewicht auf den Meißel, direkt von den Schneidelementen
auf den Schaft des Meißels übertragen,
wodurch die Gelenke der Nachbohrschneidarme entlastet werden. Auf
diese Weise verhält
sich der Bohrmeißel bezüglich der
Formation wie ein regulärer
Bohrmeißel
mit einer potentiellen Bohrkapazität, die ähnlich jener von regulären Bohrmeißeln ist.
Dieses Merkmal kombiniert mit einer geeigneten Schneidstruktur der Nachbohrschneidarme 9 sollte
den Bohrmeißel
für einen
großen
Bereich von Formationen, einschließlich härterer Felsen, geeignet machen.
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Unter
den Merkmalen können
die folgenden an dem Bohrmeißel
vorgesehen werden:
- – Eine Greifvorrichtung zum
Verriegeln des Rohres, sobald die Arme die vollständig erweiterte
Position durch hydraulische Betätigung über den Kolben
und das Rohr erreicht haben. Auf diese Weise wird der Meißel in der
erweiterten Position verriegelt. Am Ende eines Meißeldurchlaufes kann
der Meißel
zusammengeklappt werden, indem die Bohranordnung wieder in die Auskleidung
gezogen wird. Diese Zugkraft sollte erreichen, daß die Scherstifte,
welche die Greifvorrichtung halten, brechen, so daß das Rohr
wieder freigegeben wird und der Meißel sich öffnet und die Nachbohrschneidarme
sich in die zurückgezogene
Position bewegen können.
- – Düsen können in
dem Pilotabschnitt des Meißels
derart angeordnet werden, daß die
Strahlen aus diesen Düsen
gegen die Nachbohrschneidarme gerichtet sind, um eine effektive
Reinigung und Kühlung
zu bewirken.
- – Der
erweiterbare Meißel
kann auch für
konventionelles Überdurchmesserbohren
verwendet werden, wobei das Bohrrohr statt der Auskleidung verwendet
wird. In diesem Fall wird der Schaft des Meißels vorzugsweise mit Wasserwegen
ausgestattet, damit Schlamm zirkulieren kann, während sich die Arme in der
zurückgezogenen
Position befinden.
- – Mehrfachsätze von
Nachbohrschneidarmen können
in dem vorstehend beschriebenen hydraulischen Verriegelungsmechanismus
vorgesehen sein.
- – Der
hydraulische Verriegelungsmechanismus, der vorstehend beschrieben
wurde, kann in allgemeinerer Weise angewendet werden, um eine spezifische
Funktionalität
der anderen erweiterbaren Bohrlochkomponenten zu bewirken, wie erweiterbare
Stabilisatoren für
die Anwendung in einem Überdurchmesserbohren.