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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
einen Bohrmeißel, wie er im Oberbegriff des Anspruchs
1 dargelegt ist.
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Herkömmliche Bohrmeißel (US-A-4 176 723 und US-A-2 553
701) enthalten typischerweise eine oder mehrere
Schneidoberflächen zum anfänglichen Schneiden des
Kalibriersaßes des Bohrlochs, d.h. des nominellen Durchmessers
des Bohrlochs. Als Kalibrierschneidelemente, die die
Schneidoberfläche definieren, können herkömmliche Typen
von Schneidelementen eingesetzt werden.
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Zusätzlich enthalten herkömmliche Bohrmeißel (US-A-3
318 400) typischerweise Kalibriererhebungen, die sich
entlang der Seitenfläche des Meißels erstrecken, um
einen Kontakt zu den Seiten des Bohrlochs (wie sie durch
die Kalibrierschneidelemente geschnitten und definiert
sind) herzustellen und mitzuhelfen, die Stabilität des
Meißels aufrechtzuerhalten. Herkömmliche
Kalibriererhebungen sind typischerweise mit relativ breiten
Kontaktoberflächen, die sich über 30 - 60% der radialen
Außenfläche des Meißels erstrecken, ausgestattet. Diese
Kalibriererhebungen sind typischerweise aus Erhebungen
gebildet, die mit Diamanten imprägniert sind, die
vertikale Reihen von Diamanten (songenannte "Räumsteine")
aufweisen, oder die aus anderen abriebbeständigen
Materialien wie Wolframkarbidstücken gefertigt sind. Bei
mit Diamanten imprägnierten Erhebungen dient
Diamantimprägnierung in erster Linie dazu, der
Meißelkalibriererhebung mit Abriebfestigkeit zu verleihen, wenn sie
im Bohrloch rotiert. Die von Räumsteinen gebildeten
Kalibrierschneidwerkzeuge sind typischerweise vorgesehen,
um der Kalibriererhebung ein minimales Schneidvermögen
vorzugeben. Zusammenfassend besteht der primäre Zweck
der Kalibriererhebungen bei herkömmlichen Meißeln darin,
den Durchmesser des Bohrlochs aufrechtzuerhalten und
Abweichungen von der Bohrlochachse zu unterbinden.
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Das Bohren von abgewinkelten oder "abgelenkten"
Bohrlöchern ist seit vielen Jahren bekannt. Gleichwohl
erreichen Techniken zur Bohrung von abgelenkten Bohrlöchern
durch Navigationsbohrtechniken eine immer höhere
Verfeinerung. Diese Navigationsbohrtechniken können von
Bohrmeißeln mit verbesserter Steuerbarkeit, d.h.
Ansprechvermögen auf gerichtete Belastungskräfte, die
durch Steuergeräte angelegt werden, profitieren. Die
Bohrmeißel, die bisher für navigatorische Bohrungen
eingesetzt werden, sind jedoch typischerweise vom
herkömmlichen Typus, wie er oben beschrieben wurde. Solche
Meißel sind jedoch aufgrund ihrer Gestaltung im
Kalibrierbereich besser an das Bohren von geraden als von
abgelenkten Bohrlöchern angepaßt.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, einen
neuen und verbesserten Bohrmeißel zu schaffen, der eine
verbesserte Steuerbarkeit im Vergleich zu konventionellen
Konstruktionen aufweist und dadurch ein optimales
Verhalten in gerichteten und navigatorischen
Bohrungsabläufen erbringt.
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Die Verbesserung verwirklicht einen Bohrmeißel,
wie er in Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Bohrmeißel
gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtern durch
Ansprechen auf seitliche Belastungen des Meißels
das Schneiden des Meißels entlang einer
bogenförmigen oder gekrümmten Bahn in einer Formation.
Der Kalibrierbereich des Meißels ist so gestaltet,
daß der Kontakt mit der Seitenwanddes Bohrlochs
minimiert ist, und sich der Meißel in der Formation
drehen kann, wobei der obere Kalibrierbereich
eine Aufrechterhaltung der Lochgröße bei der
Drehung gewährleistet, während er als Drehpunkt
für Meißelablenkungen fungiert.
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Die Fig. 1A - B stellen ein erstes
Ausführungsbeispiel eines Bohrmeißels gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Fig. 1A zeigt eine Seitenansicht
des Bohrmeißels. Fig. 1B stellt schematisch den
Bohrmeißel aus Fig. 1A in einem in vertikaler
Schnitt veranschaulichten Erdbohrloch dar.
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Die Fig. 2A - B stellen ein alternatives
Ausführungsbeispiel eines Bohrmeißels gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Fig. 2A zeigt den
Bohrmeißel in einer Seitenansicht. Fig. 2B ist eine
partielle Draufsicht auf den Boden des Bohrmeißels
dar.
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In den Fig. 1A und 1B ist ein erstes
Ausführungsbeispiel eines Bohrmeißels 70 gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Bohrmeißel 70
umfaßt einen Grundkörper 72 und eine Vielzahl
von Schneiderhebungen 74. Die Schneiderhebungen
74 erstrecken sich vorzugsweise in radialer
Richtung, und können gegebenenfalls eine vertikale
Ausrichtung haben, und verlaufen von nahe der
Längsachse des Bohrmeißels 70 ausgehend bis zur
unteren Kalibrierlinie 76 des Meißels 70. Jede
Schneiderhebung 74 kann wiederum eine zentrale
Öffnung 78 umschließen, um auf diese Weise eine
zugeordnete hydraulische Strömung über die
Schneiderhebungen 74 zu schaffen.
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Der Bohrmeißel 70 umfaßt auch einen oberen
Kalibrierabschnitt, der allgemein mit 80 bezeichnet
ist. Der obere Kalibrierabschnitt definiert eine
obere Kalibrierlinie 94, die von der unteren
Kalibrierlinie 76 durch eine Trennungsstrecke 82
getrennt ist. Der obere Kalibrierabschnitt 80 enthält
eine Vielzahl von vertikalen Schneiderhebungen,
die über die Außenfläche des Bohrmeißels 70
verteilt sind. Der innherhalb der Trennungsstrecke
liegende Teil der Kalibrierschneidwerkzeuge 84
umfaßt einen Radius 92, dessen Größe der
Kalibrierabmessung entspricht. Die Kalibrierschneidwerkzeuge
im oberen Abschnitt enthalten wie dargestellt
Schneidelemente an ihrer gesamten Oberfläche.
Bei einigen Ausführungen kann es wünschenswert
sein, nur im unteren Teil der
Kalibrierschneiderhebungen 84 Schneidelemente vorzusehen und dem
oberen Teil jeder Kalibriererhebung 84 als mit
Diamanten imprägnierteErhebung auszubilden, wie
sie bereits weiter oben beschrieben ist.
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Wird der Bohrmeißel 70 zum Bohren eines
nichtlinearen Bohrlochweges verwendet, so bietet die
Trennungsstrecke 82 einen Schwächungsbereich,
der ein Biegen des Meißels 70 erleichtert und
somit das Bohren eines nichtlinearen Weges fördert,
da die Schneiderhebungen 74 keinen übermäßigen
Widerstand gegenüber seitlichen Belastungen wie
bei herkömmlichen Meißeln darbieten, und die
Kalibrierschneiderhebungen 84 einen Kontaktpunkt
schaffen, gegen den sich der Meißel 70 beim Drehen
anlegen kann. Da die unteren Schneiderhebungen
74 sich nur geringfügig über die untere
Kalibrierlinie 76 hinwegerstrecken, wenn seitliche
Belastungskräfte am Bohrmeißel 70 anliegen, ist
der Widerstand beim seitlichen Schneiden der
Formation relative klein. Aufgrund der Größe des
Schwächungsbereichs bzw. Freiraums der durch die
Trennungsstrecke 82 geschaffen ist, kann die obere
Kalibrierlinie 94 als Ort eines Drehpunktes auf
der Innenseite des Kreisbogens, um dem der
Bohrmeißel 70 biegen kann, betrachtet werden. Da immer
mehr Schneiderhebungen 84 auf die Formation
treffen, wird der Biegewiderstand des Bohrmeißels
70 in der Formation anwachsen. Die
Trennungsstrecke dient daher in Kombination mit der Anzahl
und der Größe der oberen Kalibrierschneiderhebungen
84 sowie der Verteilung der Schneidelemente auf
jeder Erhebung 84 dazu, einen Radius für einen
Bogen zu definieren, auf welchem sich der
Bohrmeißel optimal bewegen kann. Es ist
offensichtlich, daß die Größe der Trennungsstrecke bei
verschiedenen Ausführungsformen von Meißeln variieren
kann. Gleichwohl, wenn auch nur im Sinne eines
Beispiels, können Trennungstrecken ungefähr von
1,25 bis 3 Zoll bei Ausführungsformen des Meißels
70 möglicherweise vorteilhaft sein. Obgleich der
obere Kalibrierabschnitt 80 des Bohrmeißels 70
mit vertikal ausgerichteten Schneiderhebungen
dargestellt ist, könnten diese Schneiderhebungen
auch leicht in einer spiralförmigen oder
anderweitig gekrümmten Linienführung entlang der
betreffenden Bereiche der Außenfläche des Bohrmeißels
70 angeordnet sein.
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Für jeden Fachmann ist es verständlich, daß die
hier gegebenen Hinweise zum Schneiden oder
Aufrechterhalten eines Kalibriermaßes beim Zurücklegen
eines nichtlinearen Weges durch den Bohrmeißel
nicht in dem Sinne zu verstehen sind, daß ein
perfekt kalibriertes oder sogar symmetrisches
Bohrloch entsteht. Das Drehen eines Meißels wird
normalerweise ein überdimensioniertes Bohrloch
mit einem im allgemeinen elliptischen Querschnitt
erzeugen, wobei der größere Ellipsendurchmesser
parallel zur Drehrichtung liegt. Bei einigen
Fällen, wo z.B. die Drehung nicht gleichformig planar
ist, wird in der Regel ein kreisformiges, aber
überdimensioniertes Loch (in allen radialen
Richtungen) entstehen.
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Anzumerken ist, daß der Einsatz der vorliegenden
Erfindung bei einem Meißel auch dazu verwendet
werden kann, durch Variation des Widerstandes
gegenüber seitlichen Verlagerungen im Bohrloch
die Tendenz des Meißels, rechts oder links etwas
abzubiegen, verringert, gesteigert oder anderweitig
kontrolliert werden kann.
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In Fig. 2A - B ist ein
abgewandeltesAusführungsbeispiel des Bohrmeißels 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Bohrmeißel 50 weist
eine Vielzahl von Bodenschneiderhebungen 52,54
auf, welche sich durchgängig in radialer Richtung
längs der Außenfläche des Bohrmeißels 50
erstrecken. Die Schneiderhebungen 52 schneiden in
erster Linie im Bereich der Bodenfläche, wenn
der Bohrmeißel 50 innerhalb einer Formation
eingesetzt wird, während die Schneiderhebungen 54
sich bis zur Kalibrierlinie 56 des Meißels 50
erstrecken. Die Schneiderhebungen 52 erstrecken
sich somit von der Längsachse des Bohrmeißels
50 ausgehend bis über die Kalibrierlinie hinaus,
wobei sie dort in der Regel einen vertikalen
Verlauf aufweisen. Jede Schneiderhebung 52,54 weist
vorzugsweise eine im allgemeinen dreieckige Form
entlang der Außenfläche des Bohrmeißels 50 auf.
Jede Schneiderhebung 52,54 kann wieder wie beim
Meißel 30 in Fig. 2 als eine im allgemeinen
durchgehende Erhebung gestaltet sein, die jeweils eine
zentrale Öffnung 58,60 umschließt und somit eine
hydraulische Strömung über jede Schneiderhebung
52,54 ermöglicht.
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Der Bohrmeißel 50 enthält außerdem abgesonderte
Kalibrierschneiderhebungen 62, die in der Regel
vorzugsweise in einer im allgemeinen radialen
Ausrichtung zu den Schneiderhebungen 52 angeordnet
sind. Die Kalibrierschneiderhebungen 62 enthalten
vorzugsweise Schneidelemente, die zum Schneiden
von solchen Formationen geeignet sind, für die
die Bodenschneiderhebungen zum Schneiden ausgelegt
sind. Vorzugsweise ist jede
Kalibrierschneiderhebung 62 mit Schneidelemeten ausgestattet, welche
in erster Linie im unteren Teil, z.B. in den
unteren zwei Dritteln, der Erhebung 62 angebracht
sind. Dies erlaubt es dem unteren Teil der
Kalibrierschneiderhebung 62, unbehindert in die
Formation zu schneiden, während der obere Teil dazu
tendiert, als Abstützung für den Meißel 50
fungiert. Der obere Teil der Kalibrierschneiderhebung
62 ist vorzugsweise aus einem abriebfesten
Material, wie die oben eröterte mit Diamanten
imprägnierte Matrix, gebildet.
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Die Verteilung und die Größe der einzelnen
Kalibrierschneiderhebungen 62 begründen einen relativ
großen Winkel (∅) 64 zwischen den Vorderkantenund
der gegenüberliegenden hinteren Kanten von
benachbarten Kalibrierschneiderhebungen 62. Jede
Kalibrierschneiderhebung 62 erstreckt sich von der
Kalibrierlinie 56 oder etwas darunter ausgehend
nach oben hin.
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Im Betrieb des Bohrmeißels, wenn er im Bohrloch
rotiert und abgelenkt wird, erleichtern diese
einzelnen Kalibrierschneiderhebungen 62 die
optimale Steuerbarkeit des Meißels 50. Beginnt der
Meißel 50, einen Kreisbogen zu schneiden, werden
die Oberflächen der Kalibrierschneiderhebungen
62 normalerweise dazu neigen, sich der Ablenkung
des Meißels entgegenzustellen. Gleichwohl, wegen
des Abstands der Kalibrierschneiderhebungen 62
untereinander und als Folge der Winkelverteilung,
die durch den Winkel (∅) 64 bestimmt ist, weist
die Außenfläche des Meißels 50 einen Bereich auf,
der sich der Biegung des Meißels 50 nicht
entgegensetzt. Nur als Erläuterung sei angemerkt,
daß der Bohrmeißel 50 als fähig erachtet werden
kann, eine Biegung um eine Biegelinie, die durch
die Vorderkante und die angrenzende hintere Kante
von benachbarten Kalibrierschneiderhebungen 62
definiert und die allgemein durch die gestrichelte
Linie 66 in Fig. 2B angedeutet ist, oder um eine
Biegelinie 68 zu erfahren, die durch die
korrespondierenden Kanten der Schneiderhebungen 54
bestimmt ist. Dementsprechend wird, wenn der
Bohrmeißel 50 abgelenkt wird und in der Formation
rotiert, jede das Kalibriermaß schneidende Erhebung
54,62 einen fortschreitend tieferen Schnitt auf
der inneren Seite der Bogenlinie ausführen, wodurch
das Schneiden des Bogens erleichtert wird. Ferner
werden die Kalibrierschneiderhebungen 62, wenn
sie in voller Größe die Formationen abwärts
gerichtet durchqueren, fortfahren, das Kalibriermaß
zu schneiden.
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Die zusammenwirkende Anordnung von
Schneiderhebungen 54, die sich bis zur Kalibrierlinie des Meißels
50 erstrecken, und die im Abstandsverteilung von
relativ schmalen Kalibrierschneiderhebungen 62,
wie sie auf dem Meißel 50 dargestellt sind, dienen
zur Konzentration der seitlichen Belastung auf
dem Bohrmeißel 50, wenn der Bohrmeißel 50 in einer
Formation eingesetzt wird, so daß die seitliche
Belastung in erster Linie auf den Kalibrier- und
seitlichen Schneidteilen des Meißels anliegt,
die auf die Formation treffen. Dementsprechend
bietet der Meißel keinen unerwünschten Widerstand
bei der Steuerung entlang eines erwünschten
nichtlinearen Weges, wie dies bei bisherigen Meißeln
der Fall ist.