DE69007310T2

DE69007310T2 - Bohrkrone mit Kraftausgleich.

Info

Publication number: DE69007310T2
Application number: DE69007310T
Authority: DE
Inventors: James Ford Brett; Tommy Melvin Warren
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-21
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: CN1045147A; DE69007310D1; RU2092671C1; US5131478A; CA1333282C; EG19015A; EP0384734B1; NO900814D0; NO179592B; EP0384734A1; NO179592C; NO900814L; CN1042252C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bohrkronen für unterirdische Bohrungen zur Herstellung von Bohrlöchern sowie Verfahren zur Herstellung solcher Bohrkronen.
Bei der Erkundung und Förderung von Kohlenwasserstoffen wird eine drehende Bohrkrone verwendet, um ein Bohrloch durch die Erdformationen unterhalb der Oberfläche herzustellen. Die Anwender der Bohrkronen und die Hersteller von Bohrkronen haben herausgefunden, daß durch eine genauere Steuerung des Bohrdrucks (WOB) und eine Erhöhung der Umdrehungszahl (RPM) erhöhte Eindringraten erzielt werden können. Sobald die Umdrehungszahl erhöht wird, verkürzt sich jedoch die Lebensdauer der Bohrkrone empfindlich, da die Schneidelemente auf der Bohrkrone Sprünge entwickeln und gelegentlich gewaltsam vom Bohrkronenkörper gerissen werden.
Es wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um herauszufinden, was eine solche Zerstörung der Schneideleinente hervorruft. Die Erfinder haben vormals das Vorhandensein von wesentlichen Ungleichgewichtskräften festgestellt, welche dazu führen, daß die Bohrkrone um eine Mitte dreht, welche von der geometrischen Mitte des Kronenkörpers versetzt ist, so daß die Bohrkrone dazu tendiert, nach rückwärts um das Bohrloch zu flattern. Dieses Flattern führt dazu, daß sich die Drehachse dynamisch verändert, während sich die Bohrkrone wn das Bohrloch dreht. Somit bewegen sich die Schneiden schneller seitwärts und rückwärts und sind stark erhöhten Auftreffbelastungen ausgesetzt, wodurch die Schneiden zerstört werden (siehe US-A-4 753 305).
Genauer gesagt existieren an jeder Bohrkrone in einem bestimmten Maße Umfangs-Bohrungleichgewichtskräfte, und diese Kräfte tendieren dazu, die Bohrkrone zur Seite des Bohrlochs zu drängen. Wenn die Bohrkrone eine normale Schneidstruktur aufweist, sind die Kalibrierschneiden so entworfen, daß sie die Kante des Bohrloches schneiden. Während des Schneidevorganges erhöht sich die effektive Reibung zwischen den Schneidelementen in der Nähe des Kalibrierbereichs, und somit wird das momentane Drehzentrum ein anderer Punkt als das geometrische Zentrum der Bohrkrone. Wenn dies geschieht, ist das übliche Ergebnis, daß die Bohrkrone rückwärts um das Bohrloch zu flattern beginnt. Der Flattervorgang regeneriert sich, da die durch die von der schnellen Beschleunigung der Bohrkrone erzeugten Fliehkräfte unabhängig von der Orientierung der Bohrkrone - immer eine ausreichende Reibung zwischen dem Bohrkronen-Kalibrierbereich und der Wand des Bohrloches erzeugen.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um diese Ungleichgewichtskräfte zu beseitigen oder zu reduzieren, darunter die Verwendung von Anordnungen mit dynamisch kompensiertem unteren Bohrstrang, und Neuausrichtung der Schneideleinente, um die Ungleichgewichtskräfte zu verringern.
Bei Bohrkronen für unterirdische Bohrungen, bei denen ein Schneidelement drehbar um eine zu der Achse des Bohrloches geneigte Achse am Kronenkörper angebracht sind, ist es vorgeschlagen worden, eine Rolle oder Führungsstäbe am Kronenkörper vorzusehen, um ungleiche Kräfte aufzunehem, welche auf den Kronenkörper einwirken und durch das rotierende Schneidelement erzeugt werden. Bezug wird in dieser Hinsicht auf DE-C2-3521 159 und EP-A1-0 072 072 genommen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Erwägung gezogen, um die oben genannten Nachteile zu überwinden und die oben beschriebenen Bedürfnisse zu erfüllen.
Demzufolge besteht die vorliegenden Erfindung bei einem Aspekt in einer Bohrkrone für unterirdische Bohrungen, die mit einer Drehantriebsquelle zum Bohren in unterirdisches Erdmaterial betreibbar ist, um ein Bohrloch mit einer Bohrlochwand herzustellen, mit einem Bohrkronenkörper, der ein um eine Bohrerlängsachse angeordnetes Schaftteil zur Aufnahme der Drehantriebsquelle, einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und von dem Schaftteil ausgehenden Kalibrierabschnitt und einem um die Bohrerlängsachse angeordneten und von dem Kalibrierabschnitt ausgehenden Stirnflächenabschnitt aufweist, wobei eine Vielzahl von Schneidelementen vorgesehen sind, die an dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt fest angebracht und davon überstehend im Abstand voneinander befestigt sind, und wobei jedes Schneidelement so positioniert ist, daß es in einer im wesentlichen zur Bohrerlängsachse senkrechten Ebene rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente so positioniert sind, daß während des Bohrvorgangs eine Netto-Radial- Ungleichgewichtskraft entlang eines zur Bohrerlängsachse annähernd senkrechten Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft vektors erzeugt wird, daß ein im wesentlichen durchgängiger schneidenloser Bereich auf dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt um eine bzw. einer im Bereich einer durch die Bohrerlängsachse und den Netto-Radial-Ungleichgewichtskraftvektor gebildeten Ebene angeordnet ist, und daß im schneidenlosen Bereich mindestens ein im wesentlichen glatter Lagerbereich um die Ebene angeordnet ist, um während des Bohrens die Bohrlochwand zu berühren. Somit kann der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraftvektor von einer ausreichenden Größe sein, um den Lagerbereich während des Bohrens im wesentlichen in Berührung mit der Bohrlochwand zu halten.
Bei einem weiteren Aspekt besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer zum Einbringen von unterirdischen Bohrungen dienenden, durch eine Drehantriebsquelle antreibbaren Bohrkrone, um ein Bohrloch mit einer Bohrlochwand herzustellen, wobei die Bohrkrone einen Bohrkronenkörper mit einem um eine Bohrerlängsachse angeordneten Schaftteil zur Aufnahme des Drehantriebes, einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und sich von dem Schaftteil erstreckenden Kalibrierabschnitt und einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und sich von dem Kalibrierabschnitt erstreckenden Stirnflächenabschnitt aufweist; wobei eine Vielzahl von Schneidelementen vorgesehen sind, die an dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt fest angeordnet und davon überstehend im Abstand voneinander befestigt sind, und wobei jedes Schneidelement so positioniert ist, daß es in einer im wesentlichen zur Bohrerlängsachse senkrechten Ebene rotiert; wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Anordnen der Schneidelemente derart, daß während des Bohrens eine Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft entlang eines ungefähr zur Bohrerlängsachse senkrechten Netto-Radial- Ungleichgewichtskraftvektors erzeugt wird, indem ein Geometriemodell des Bohrkronenkörpers und der Schneidelemente generiert wird; Berechnen der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft unter definierten Bohrparametern; Verwenden der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft und des Modells zur Berechnung von Veränderungen der Position von mindestens einem Schneidelement, welches bei Anordnung des Schneidelements am Stirnflächenabschnitt eine Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft entlang eines Netto-Radial-Ungleichgewichts kraftvektors erzeugen würde, und Montieren der Schneiden am Stirnflächenabschnitt in der so berechneten Position; Anordnen eines im wesentlichen durchgängigen schneidenlosen Bereichs auf dem Stirnflächenabschnitt und dem Kalibrierabschnitt um eine durch die Bohrerlängsachse und den Netto- Radial-Ungleichgewichtskraftvektor gebildete Ebene; und Anordnen mindestens einer im wesentlichen glatten, gegen Verschleiß widerstandsfähigen Gleitfläche im schneidenlosen Bereich am Kalibrierabschnitt um die Ebene zur Erzielung eines Gleitkontaktes mit der Bohrlochwand während des Bohrens, wobei der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraftvektor von ausreichender Größe ist, um die Gleitoberfläche mit der Bohrlochwand während des Bohrens im wesentlichen in Berührung zu halten.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Bohrkrone der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2A, 2B und 2C eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Lagerbereiches an einer Bohrkrone bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von darauf befindlichen Verschleißoberflächen.
Fig. 3A und 3B eine Unteransicht einer Bohrkrone und die resultierenden Kräfte zur Zeit t (Fig. 3A) und der Zeit t+Δ (Fig. 3B).
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Koordinatenmeßmaschine und einer Bohrkrone.
Fig. 5 eine Ansicht einer nicht abgenützten PDC-Schneidoberfläche.
Fig. 6 eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 5 einer abgenützten PCD-Schneidoberfläche.
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Bohrkrone vor dem Anbringen einer gewählten Schneide.
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der bevorzugten Art der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ein Schemadiagramm einer PDC-Schneidoberfläche, welches den Seitenspanwinkel darstellt.
Fig. 10 ein Schemadiagramm einer PDC-Schneidoberfläche, welches den Rückspanwinkel darstellt.
Fig. 11 ein Diagramm der Bohrkronenschneidenflächen einer Bohrkrone.
Fig. 12 eine Seitenansicht einer in einer Gesteinsformation eingebetteten Schneide.
Fig. 13 eine Ansicht einer PDC-Schneidoberfläche entlang der Linien 13-13 in Fig. 12.
Fig. 14 ein Diagramm einer in einer Gesteinsformation eingebetteten Bohrkronenschneidenfläche.
Fig. 15 eine Unteransicht einer Bohrkrone, welche Schneiden zeigt, die entfernt werden sollen, um einen Lagerbereich zu definieren.
Fig. 16 eine graphische Darstellung über der Zeit einer Drehmoment- und Vibrationsentwicklung für eine Bohrkrone ohne Lagerbereich beim Bohren durch Carthago-Kalkstein.
Fig. 17 eine graphische Darstellung über der Zeit einer Drehmoment- und Vibrationsentwicklung für die Bohrkrone von Fig. 16 beim Bohren durch Dolomitmaterial.
Fig. 18 eine graphische Darstellung über der Zeit von Vibration und Drehmoment für die Bohrkrone von Fig. 16 beim Bohren durch Carthago-Kalkstein bei erhöhtem Bohrdruck.
Fig. 19 eine vergleichende Seitenansicht eines vorhergesagten und eines tatsächlich gemessenen Bohrsohlenmusters, wobei aber gewisse Schneiden entfernt sind, um einen Lagerbereich zu definieren.
Fig. 20 eine graphische Darstellung über der Zeit einer Drehmoment- und Vibrationsentwicklung der Bohrkrone von Fig. 16 beim Bohren durch Carthago-Kalkstein bei erhöhter Drehzahl.
Fig. 21 eine graphische Darstellung über der Zeit einer Drehmoment- und Vibrationsentwicklung der Bohrkrone von Fig. 16 beim Bohren unter den gleichen Bedingungen wie denen von Fig. 20, wobei Schneiden entfernt sind, um einen Lagerbereich zu definieren.
Fig. 22, 23 und 24 graphische Ergebnisse von Tests der Bohrkrone der vorliegenden Erfindung und einer nicht modifizierten Bohrkrone, um Verbesserungen in der Eindringrate (ROP) zu zeigen.
Die vorliegende Erfindung ist eine ungleichgewichtskompen sierte Bohrkrone und darauf bezogene Verfahren zur Herstellung einer solchen Bohrkrone von Anfang an oder aus einer schon vorhandenen Bohrkrone. Die Bohrkrone weist einen Kronenkörper auf, welcher mit einem Drehantrieb verbindbar ist und mindestens einen definierten Lagerbereich an einem Seitenabschnitt und mindestens eine definierte Schneidezone aufweist. Eine Vielzahl von Schneidelementen erstrecken sich von mindestens einer Schneidezone und sind im Abstand von dem geometrischen Zentrum des Bohrerkörpers um ein vorgegebenes Rotationszentrum angeordnet. Die Schneidelemente führen dazu, daß der mindestens eine Lagerbereich auf die Bohrlochwand hingedrückt wird. Da der mindestens eine Lagerbereich relativ glatt ist, gleitet er an der Bohrlochwand entlang und gräbt sich nicht in das unterirdische Material, wodurch eine zerstörerische Flatterbewegung erzeugt würde.
Die Verfahren zum Entwerfen und darauffolgenden Herstellen der Bohrkrone der vorliegenden Erfindung lassen sich folgendermaßen kurz zusammenfassen. Es wird eine Anordnung von räumlichen Koordinaten erstellt, welche ausgewählte Oberflächenpunkte auf dem Bohrkronenkörper und den darauf angebrachten Schneiden darstellen. Die Anordnung wird dazu verwendet, die Position jeder der Schneidoberflächen relativ zur Längsachse des Kronenkörpers zu berechnen, und eine die Längsachse des Kronenkörpers enthaltende vertikale Bezugsebene wird erstellt. Koordinaten, welche jede Schneidoberfläche definieren, werden um die Längsachse des Kronenkörpers gedreht und auf die Bezugsebene projiziert, wodurch ein projiziertes Schneidoberflächenprofil definiert wird. Bei der Herstellung der Bohrkrone wird eine vorgewählte Anzahl oder alle der Schneiden auf dem Kronenkörper angebracht. Ein Geometriemodell des Kronenkörpers wird wie oben beschrieben erstellt. Danach wird die Ungleichgewichtskraft errechnet, die (bei definierten Bohrparametern) im Kronenkörper auftreten würde. Die Ungleichgewichtskraft und das Modell werden verwendet, um die Position einer zusätzlichen Schneide oder von zusätzlichen Schneiden zu berechnen, welche bei ihrer Anbringung auf dem Bohrer in der berechneten Position dazu führen würden, daß die Ungleichgewichtskraft auf den mindestens einen definierten Lagerbereich am Bohrerkörper gerichtet würden. Dann werden Schneiden in der/den solcherart errechneten Position(en) angebracht. Die Bohrkrone kann auch eine von der Konzipierung an eingeplante Ungleichgewichtskraft aufweisen, so daß die Bohrkrone die gewünschte Ungleichgewichtskraft aufweist, wenn die Schneiden auf dem Kronenkörper angeordnet sind. Falls eine schon vorhandene Bohrkrone modifiziert wird, werden eine Schneide oder Schneiden von Positionen entfernt, welche so berechnet sind, daß mindestens ein Lagerbereich definiert wird, auf welchen die Ungleichgewichtskräfte gerichtet sind.
Die folgende Diskussion ist in drei Teile eingeteilt: die Bohrkrone selbst, die Verfahren zur Herstellung der Bohrkrone, und Bohrtestergebnisse.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Bohrkrone 10 einen im allgemeinen zylindrischen Körper 12 auf und kann Stratapac, PDC, Diamantmatrix, Walzenkegel oder eine Bohrkrone mit einem weiteren ähnlichen Entwurf oder einer Konfiguration sein. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Körper 12 einen Schaft 14 mit Gewindestange zur Verbindung mit einem Drehantrieb wie einem Bohrlochantrieb oder einem rotierenden Bohrstrang auf, wie an sich bekannt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich eine Vielzahl von Schneidklingenteilen 16 vom Körper 12 und weisen eine Vielzahl von Schneidelementen 18 auf, welche auf eine beliebige herkömmliche Weise daran angebracht sind. Die Klingen 16 und die Schneidelemente 18 definieren mindestenes eine Schneidezone des Rronenkörpers 12. Mindestens ein relativ glatter, gehärteter Plättchenbereich 20 ist am Kronenkörper vorgesehen und kann sich von diesem erstrecken, worauf die Netto-Ungleichgewichtskräfte gerichtet sind. Der Plättchenbereich 20 kann, wie in den Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt ist, eine Verschleißschicht 22, eine Mehrzahl von Diamanteinsätzen 24 oder dünne Diamantenplättchen 26 aufweisen. Des weiteren besitzt der Plättchenbereich 20 vorzugsweise einen ausreichenden Oberflächenbereich, damit, wenn der Plättchenbereich 20 gegen die Bohrlochwand gedrückt wird, die beauf schlagte Kraft pro Quadratzoll wesentlich geringer als die Kompressionskraft des unterirdischen Materials ist. Dieses bevorzugte Erfordernis soll den Plättchenbereich 20 davon abhalten, sich in die Bohrlochwand einzugraben und sie zu zerdrücken, was in der Erzeugung der unerwünschten Flatterbewegung resultieren würde.
Der Plättchenbereich 20, der einen Lagerbereich definiert, kann aus zwei oder mehr Plättchenbereichen bestehen, welche gleichmäßig um die Mittellinie der Seitenkräfte beabstandet sind. Ein solches Ausführungsbeispiel würde zwei relativ glatte Abschnitte aufweisen, welche zu beiden Seiten leicht vom Bohrerkörper 12 vorstehen und von der Mittellinie der Seitenkräfte gleichmäßig beabstandet sind. Der Plättchenbereich 20, welcher einen Lagerbereich definiert, kann Schneiden mit anderer Größe, Konfiguration, Schnittiefe und/oder Spanwinkel als die Schneiden in der Schneidezone aufweisen, so daß die unterschiedlichen Schneiden im Vergleich mit der Schneidezone noch als relativ glatt angesehen werden könnten. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel würde eine oder mehrere zylindrische Rollen oder Laufrollenkuggellager aufweisen, welche vom Kronenkörper 12 nach außen hin eine Rollfläche erstrecken, um dem Lagerbereich ein leichteres Abrollen über die Bohrlochwand zu erlauben.
Der Lagerbereich kann sich über einen beliebig langen oder kleinen Bereich des Kronenkörpers erstrecken, wobei die Einschränkungen darin bestehen, ob genügend Schneiden und eine ausreichende Schneidenanordnung in der Schneidezone für eine wirksames Schneiden des Materials vorhanden sind. Des weiteren kann sich der Lagerbereich wahlweise über den Seitenabschnitt des Kronenkörpers und nach unten auf einen Abschnitt des Bohrerkörpers mit einer gerundeten Oberfläche erstrecken.
Der Kronenkörper 12 kann eine üblicherweise als "Führungsabschnitt" bezeichnete Schneidezone mit einem geringeren Durchmesser aufweisen, der sich koaxial aus einer Schneidezone mit einem größeren Durchmesser heraus erstreckt. Ein oder mehrere Lagerbereiche oder Plättchenbereiche 20 können auf der kleineren, der größeren oder beiden Schneidezonen angeordnet sein. Vorzugsweise würde der Plättchenbereich 20 an die Schneidezone mit einem kleineren Durchbesser angrenzen, da der Plättchenbereich 20 dann so nahe wie möglich an der Mitte des Bohrerkörpers 12 ist, was das Drehmoment reduzieren kann, welches dazu tendiert, die Bohrkrone zum Rollen auf dem Schneidbereich und damit zum Flattern zu bringen.
Beim Betrieb verhindert der Plättchenbereich 20 das Auftreten der Flatterbewegung auf die folgende Weise. Wie in Fig. 3A gezeigt ist, ist ein Bohrkronenkörper 12 gezeigt, der in einem Bohrloch 28 rotiert. Die Vielzahl von um den Bohrkronenkörper 12 beabstandeten Schneiden 18 erzeugt eine Ungleichgewichtskraft, welche auf einen Bereich des Bohrers hin gerichtet ist, von dem Schneiden entfernt und/oder an dem sie durch einen relativ glatten Lagerbereich ersetzt wurden. Wie in Fig. 3B gezeigt ist, wurde der Bohrerkörper 12 zu einer Zeit t+Δ in eine neue Position gedreht. Aufgrund des Plättchenbereichs 20 sind entweder eine stark reduzierte Anzahl von Mitteln oder keine Mittel vorhanden, mit denen sich der Bohrerkörper 12 in die Bohrlochwand 28 graben kann, um die Flatterbewegung zu erzeugen, da der Plättchenbereich 20 an der Bohrlochwand entlang rutscht oder gleitet, ohne eine Kraft zu erzeugen, die ausreicht, das Drehzentrum der Bohrkrone zu beeinträchtigen. Es ist zu beachten, daß die resultierenden Kraftpfeile am gleichen Punkt entstehen, d.h. dem Drehzentrum, nicht dem geometrischen Zentrum der Bohrkrone. Somit liegt das Drehzentrum der Bohrkrone zwischen dem Bohrlochzentrum und dem Lagerbereich.
Die Verwendung des Plättchenbereichs 20 hat den Vorteil der relativen Unempfindlichkeit gegen Kronenverschleiß, Ungleichförmigkeit von Formationen und Arbeitsbedingungen. Die von den Schneiden erzeugte Ungleichgewichtskraft ändert sich mit Verschleiß, Formation und Arbeitsbedingungen; die Richtung der Ungleichgewichtskraft hingegen ändert sich nicht maßgeblich. Somit kann dieser Anordnungstyp eingesetzt werden, um Bohrerflattern an den meisten Konfigurationen von Bohrkronen zu verhindern.
Die Bohrkrone kann mit einer größeren Masse auf ihrer an das Plättchen 20 angrenzenden Seite, entworfen werden, so daß die Zentrifugalkräfte den Plättchenbereich 20 andrükken, selbst wenn die Bohrkrone um ihre Mittelachse rotiert. Ein weiterer Vorteil ist es, daß, wenn die Bohrkrone ein überkalibriertes Loch (ein Loch mit größerem Durchmesser als dem Außendurchmesser der Bohrkrone selbst) bohrt, die von der rotierenden unbalancierten Masse erzeugte Zentrifugalkraft als stabilisierende Kraft wirkt. Jeglichen Störungen, wie etwa Ungleichmäßigkeiten von Formationen, welche dazu tendieren können, der Ungleichgewichtskraft entgegenzuwirken, die den Plättchenbereich 20 an der Bohrlochwand hält, wird durch die während des normalen Bohrbetriebs erzeugte Zentrifugalkraft entgegengewirkt.
Das Verfahren dieser Erfindung verwendet ein geometrisches Modell der Schneidoberflächen an einer Bohrkrone, um die Kräfte zu berechnen, welche auf jede der Schneidoberflächen einwirken. Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein Modell verwendet, um eine Bohrkrone zu bauen. Hierbei wird ein hauptsächlicher Teil der Schneiden an der Bohrkrone angebracht, ein Modell der Geometrie des Bohrers wird erzeugt, und die auf jede der Schneiden bei vorgegebenen Bohrbedingungen einwirkenden Kräfte werden berechnet. Danach werden genaue Positionen für die anzubringenden restlichen Schneiden berechnet, wobei die berechnete Position die Radialkomponente der auf die Schneiden einwirkenden Kräfte minimiert. Die verbleibenden Schneiden werden dann in der berechneten Position angebracht.
Bezugnehmend auf Fig. 4 ist neben dem Bohrer 40 eine handelsübliche Koordinatenmeßmaschine allgemein mit 64 bezeichnet. Die Koordinatenmeßmaschine weist einen Zeiger 66 auf, der fest an einem verschiebbaren Arm 68 angebracht ist. Das untere Ende des Zeigers 6 ist als Spitze ausgebildet, welche relativ zum Arm 68 fest angebracht ist.
Der Arm 68 ist an einem seitlich verschiebbaren Rahmen 70 angebracht. Der Rahmen 70 weist parallele Stäbe 71, 73 auf, entlang deren Achse der Rahmen verschiebbar ist. Ein Meßinstrument 72 zeigt die seitliche Position des Rahmens 70 relativ zu einer aufrechten Basis 74 an.
Der Rahmen ist auch entlang der parallelen Stäbe 76, 78 vertikal bewegbar, wobei die Höhe des Rahmens von einem Meßinstrument 80 angezeigt wird.
Die parallelen Stäbe 82, 84 sind an einem unteren festen Basisabschnitt 86 angebracht. Die Stäbe 82, 84 tragen die aufrechte Basis 74 für eine Gleitbewegung entlang der Achse der Stäbe 82, 84. Das (hier nicht sichtbare) Meßinstrument zeigt die relative Position der Basis 74 an den Stäben 82, 84 an. Die Stäbe 82, 84 sind im Raum senkrecht zu den Stäben 76, 78 und den Stäben 71, 73 ausgerichtet. Ebenso sind die Stäbe 76, 78 und Stäbe 71, 73 jeweils senkrecht zu jedem des anderen Satzes von Stäben.
Die Anzeigen auf den Meßinstrumenten zeigen die relativen Positionen der Stäbe an, welche verwendet werden, um einen Punkt im Raum zu definieren, welcher von dem spitzen Ende des Zeigers 66 eingenommen wird. Die Position der Spitze am Zeiger kann somit durch ein dreidimensionales Koorinatensystem bezeichnet werden, welches durch die Achsen X, Y und Z definiert ist, wobei jedes Meßinstrument eine relative Position entlang einer der Achsen darstellt. Ein digitales Meßinstrument 88 stellt eine Anzeige der X-, Y- und Z-Koordinaten auf der Spitze am Zeiger 66 zur Verfügung und liefert diese Koordinaten auch auf Befehl des Bedieners an den Speicher eines handelsüblichen (hier nicht dargestellten) Computers.
Die Bohrkrone 40 wird auf einem Drehtisch 90 angebracht, dessen Winkelposition durch den Hebel 92 gesteuert wird. Eine nicht sichtbare Winkelskala zeigt die Winkelposition des Drehtisches und somit der Bohrkrone 40, welche darauf getragen ist, wobei ihre Achse auf die Drehtischachse ausgerichtet ist.
Bei der vorliegenden Art der Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist der Zeiger auf einer Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche der Bohrkrone positioniert, und die Koordinaten jedes einzelnen Punktes werden im Computer gespeichert. Ausgehend von diesen Daten wird ein Computermodell der Bohrkrone konstruiert. Bei der Herstellung der Messungen wird ein erster Satz von Messungen um die Seite des Bohrers gemacht, so daß der Computer über Daten verfügt, aus denen die Längsachse des Bohrers bestimmt werden kann. Ein zweiter Satz von Messungen wird am Umfang jeder Schneidoberfläche erstellt. Beim Erstellen der Messungen wird die Winkelposition des Drehtisches 90 notiert und den drei Werten zugeordnet, welche von der Meßvorrichtung 64 für alle bei diesem bestimmten Winkel des Drehtisches erstellten Messungen hergestellt werden. Dies ermöglicht es, daß alle Messungen im wesentlichen senkrecht zu jedem Meßpunkt gemacht werden können und erhöht die Genauigkeit des Meßvorgangs.
Nachdem die Krone um 360º gedreht wurde und einige Punkte an deren Umfang gemessen und aufgezeichnet wurden, wird jede Schneidoberfläche an den Schneiden gemessen.
Für eine Beschreibung der Weise, auf welche diese Messungen durchgeführt werden, wird auf Fig. 5 und 6 verwiesen. Jede Schneidoberfläche weist eine vertikale Achse 94 auf, welche im wesentlichen parallel zu der Schneidoberfläche ist und sich von ihrem obersten Abschnitt zu ihrem untersten Abschnitt erstreckt. Ebenso eingeschlossen ist eine horizontale Achse 96, welche sich von dem Abschnitt ganz links zu dem Abschnitt ganz rechts der Schneidoberfläche erstreckt und parallel dazu verläuft. Bei der Durchführung der Messungen mit der Koordinatenmeßmaschine wird die Spitze am Zeiger 66 in Fig. 4 zuerst am Schnittpunkt der Achse 94 mit dem Umfang der Schneidoberfläche 62 positioniert, wodurch ein erster Meßpunkt 98 definiert ist. Ein zweiter Meßpunkt 100 ist am Schnittpunkt der Achse 94 mit der Unterkante der Schneidoberfläche 62 angeordnet. Ein dritter Meßpunkt 102 befindet sich am linksseitigen Schnittpunkt der Achse 96 mit dem Außenumfang der Schneidoberfläche 62, während sich ein vierter Meßpunkt 104 am rechtsseitigen Schnittpunkt der Achse 96 mit dem Umfang der Schneidoberfläche 62 befindet.
Die Zahlen und Pfeile, die im mittleren Abschnitt der Schneidoberfläche 62 in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind, zeigen die Reihenfolge an, in welcher die ersten vier Messungen an jeder Schneidoberfläche der Bohrkrone vorgenommen werden: zuerst entlang der Vertikalachse der Schneidoberfläche und danach entlang der Horizontalachse der Schneidoberfläche. Wenn die Spitze am Zeiger 66 zuerst am Punkt 98 positioniert ist, werden die Koordinaten und die Winkelposition des Drehtisches an den Computer geliefert, und desgleichen für jeden der weiteren vier Meßpunkte.
Fig. 6 ist eine Ansicht der Schneidoberfläche 62, nachdem der Bohrer zum Bohren eines Loches verwendet wurde, und weist somit eine Verschleißabflachung 105 auf einer Seite auf, welche sich als Ergebnis davon entwickelte, daß die Schneide während des Bohrens gegen die Gesteinsformation gedrückt wurde. Wenn solche Unregelmäßigkeiten auf dem Umfang der Schneidoberfläche auftreten wie im Fall der Fig. 6, werden der fünfte und sechste Meßpunkt 106 bzw. 108 aufgenommen, um den Umfang der Schneidoberfläche vollständig zu definieren.
Beim Eingeben in den Computer wird jeder der Messungen eine Zahl zugeordnet, die die Reihenfolge angibt, in der die Messung durchgeführt wurde. In Fig. 5 sind die Messungen an den Punkten 98, 100, 102 und 104 mit 1, 2, 3 bzw. beziffert, und in Fig. sind die Messungen auf ähnliche Weise beziffert, wobei die Messungen an den Punkten 106 und 108 zusätzlich mit 5 bzw. 6 beziffert sind. Jede Schneidoberfläche wird auf dem Drehtisch unter einem einzigen Winkel gemessen, der ebenfalls aufgezeichnet wird. Zusätzlich zu dem oben Beschriebenen wird ein Wert aufgezeichnet, der die allgemeine Form der Kante der Schneidoberfläche zwischen nebeneinanderliegenden Messungen angibt. Wenn diese Form im allgemeinen eine gerade Linie ist, wird Null aufgezeichnet, und wenn die Form im allgemeinen ein Kreisbogen ist, wird Eins aufgezeichnet. Somit wird dem Computerspeicher eine Zahl geliefert, welche die allgemeinen Formen zwischen jedem der nebeneinanderliegenden Meßpunkte in Fig. 5 angibt.
In Fig. 6 ist ein Zahlwert Eins zwischen der ersten und vierten Messung, zwischen der vierten und zweiten Messung, zwischen der zweiten und dritten Messung und zwischen der sechsten und ersten Messung aufgezeichnet, während eine Null zwischen der fünften und sechsten Messung aufgezeichnet ist, um die im wesentlichen geradlinige Kante anzuzeigen, die von dem abgenutzten Abschnitt 105 gebildet wird. Somit definiert jeder der aufgezeichneten Meßpunkte den Umfang einer Schneidoberfläche mit einer festen Winkelausrichtung relativ zu der Längsachse der Bohrkrone. Zusätzlich wird die Zusammenhangszahl zwischen allen nebeneinanderliegenden Punkten im Computerspeicher gespeichert. Die Zusammenhangszahl ist einfach eine Angabe für die Form des Schneidoberflächenumfangs zwischen nebeneinanderliegenden Messungen. Wie sich später deutlicher zeigen wird, wird der Zusammenhangszahlwert verwendet, um zusätzliche Koordinaten unter Verwendung von Kreisinterpolation zu interpolieren, wenn die Zusammenhangszahl Eins ist, und von Linearinterpolation, wenn die Zusammenhangszahl Null ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist eine Bohrkrone 40 halbwegs während des Herstellungsvorganges gezeigt. Wie zu sehen ist, sind alle Schneiden mit Ausnahme der Schneide 8 auf dem Bohrkronenkörper 41 angebracht. Eine Bohrung 114 wird im Körper 41 gebildet, um den Stift der Schneide 8 aufzunehmen. Die Stifte aller anderen Schneiden sind in zugeordnete Bohrungen im Bohrkronenkörper eingepreßt. Vor dem Anbringen der Schneide 8 auf dem Bohrkronenkörper werden die Abmessungen des Bohrkronenkörpers um seinen Umfang und die Schneidoberfläche jeder Schneide, die auf dem Bohrkronenkörper angebracht ist, aufgezeichnet und wie im vorangehenden beschrieben in einen Computerspeicher eingegeben. Somit verfügt der Computer über Daten bezüglich des Umfangs des Bohrkronenkörpers (ausgehend von welchen die durch die Achse 42 angedeutete Bohrerachse bestimmt werden kann) und die Position jeder Schneidoberfläche (natürlich mit Ausnahme der noch nicht angebrachten Schneide 8) im Raum relativ zu der Bohrerachse.
Bezugnehmend auf Fig. 8 ist dort ein Ablaufdiagramm eines Computerprogrammes zur Verwendung in Verbindung mit der Herstellung einer Bohrkrone gezeigt. Obwohl das gesamte Ablaufdiagramm die Herstellung einer Bohrkrone betrifft, so bezieht sich ein bedeutender Teil des Computerprogrammes nur auf die Erstellung eines Modells einer Bohrkrone. Wie sich später deutlicher zeigen wird, beginnt der Abschnitt des Programmes, der die Modellierung des Bohrers betrifft, am Kasten 110 mit dem Schritt "Bohrermitte lokalisieren" und endet mit dem Kasten 112 "Schreiben: Gemessene und interpolierte Koordinaten in zweidimensionaler Aufstellung".
Um das Programm zu initiieren, werden Daten zur Verfügung gestellt über die Festigkeit des Gesteins, in dem der Bohrer verwendet werden soll, die Drehrate des Bohrers und die Eindringrate, d.h. die Rate, mit der das Loch gebohrt wird. Auch die Bohrkronenkoordinaten (die um den Umfang des Bohrkronenkörpers gemessen wurden) werden aus dem Computerspeicher ausgelesen.
Danach werden die Bohrkronenkoordinaten verwendet, um die Achse 42 mittels einer Regression der kleinsten Quadrate aufzufinden. Eine Subroutine zur Erledigung dieser Aufgabe kann von einem Durchschnittsfachmann geschrieben werden.
Man wird sich erinnern, daß jede der drei Koordinaten für jeden auf dem Bohrerkörper gemessenen Punkt auf die Koordinatenmeßmaschine anstatt auf die Längsachse des Bohrkronenkörpers bezogen sind. Nachdem die Längsachse des Bohrkronenkörpers in dem Koordinatensystem aufgefunden wurden, in dem die Messungen vorgenommen wurden, kann das Koordinatensystem übersetzt werden, so daß die Vertikal- oder Z-Achse ausgerichtet auf die Bohrermitte eingestellt wird. Als nächstes wird die Datei für die Zahl einer bestimmten Schneide und den Drehwinkel, an dem die Daten erstellt wurden, aus dem Computerspeicher ausgelesen. Danach wird jede Meßzahl, beispielsweise eine aus einer Reihe von sequentiellen Zahlen, welche die Reihenfolge identifizieren, in der die Messungen vorgenommen wurden, mit den dieser bestimmten Meßzahl zugeordneten Koordinaten ausgelesen. Dann wird die Zusammenhangszahl zwischen nebeneinanderliegenden Messungen ausgelesen, welche bekanntlich die allgemeine Form, entweder eine gerade Linie oder einen im allgemeinen kreisförmigen Bogen zwischen nebeneinanderliegenden Messungen definiert.
Als nächstes wird der Seitenspanwinkel jeder Schneidenoberfläche berechnet. Der Seitenspanwinkel ist relativ zu einer vertikalen Bezugsebene definiert, welche die Achsen 44, 46 enthält. Die Ebene verläuft durch die Mitte des Bohrerkörpers und teilt ihn in gleiche Hälften. Koordinaten, welche die Horizontalachse der Schneidoberfläche für eine bestimmte Schneide definieren, in Fig. 5 die Meßpunkte 102, 104, werden um den Umfang der Bohrkronenmitte entlang des Weges rotiert, um den sich die Koordinaten während einer tatsächlichen Rotation der Bohrkrone verschieben würden. Wenn der Mittelpunkt der Schneidoberfläche die vertikale Bezugsebene schneidet, definiert der Winkel zwischen der Achse 96, der Horizontalachse, und der vertikalen Bezugsebene den Seitenspanwinkel. Es zeigt sich, daß die im Mittelpunkt jeder Schneidoberfläche liegenden Koordinaten leicht berechnet werden können, da dieser durch den Schnittpunkt der Achsen 94, 96 definiert ist, dessen Position bekannt ist.
Auf ähnliche Weise wird der Rückspanwinkel als der Winkel zwischen der Bezugsebene 116 und der Vertikalachse 94 definiert, nachdem die Koordinaten, welche die Horizontal- und Vertikalachse definieren, rotiert wurden, bis ihr Schnittpunkt die Bezugsebene schneidet. Anders ausgedrückt heißt dies, daß zur Berechnung von Seiten- wie auch Rückspanwinkel die die Schneidoberfläche definierenden Koordinaten zuerst rotiert werden, bis der Schnittpunkt der Achsen 94, 96 in der vertikalen Bezugsebene enthalten ist. Danach werden die Winkel zwischen der Horizontalachse 96 und der Bezugsebene (Seitenspanwinkel) und zwischen der Vertikalachse 94 und der Bezugsebene (Rückspanwinkel) gemessen. Es ist zu vermerken, daß eine Subroutine, welche wie oben beschrieben die Koordinaten rotieren und Winkel messen kann, leicht von einem Durchschnittsfachmann geschrieben werden könnte.
Als Beispiel zeigt Fig. 9 eine Draufsicht auf den Bohrkronenkörper mit einer vertikalen Bezugsebene 116, welche die Achsen 42, 46 enthält. Eine Schneidoberfläche 62, welche eine der Schneidoberflächen auf der Bohrkrone 40 darstellt, wurde gedreht, bis ihre Mitte die Ebene 116 wie gezeigt schneidet. Es ist ersichtlich, daß der Rückspanwinkel Null beträgt, da die Oberfläche 62 parallel zu der Längsachse 42 des Bohrkronenkörpers verläuft. Somit ist der in Fig. 9 gezeigte Winkel der Seitenspanwinkel.
Fig. 10 ist eine Ansicht einer Schneidoberfläche von der Seite der Bohrkrone. Die Schneidoberfläche 62 wurde gedreht, bis ihre Mitte die Ebene 116 schneidet. Die Oberfläche 62 in Fig. 10 hat Null Grad Seitenspanwinkel, da die Oberfläche parallel zur Achse 42 und dem beim Rückspanwinkel gezeigten Winkel ist.
Es wird verständlich sein, daß in den meisten Fällen die Schneidoberflächen sowohl geringe Beträge von Rückspanwinkel wie auch Seitenspanwinkel aufweisen. Die Ansichten von Fig. 9 und 10 haben den Zweck, die Weise zu veranschaulichen, auf die der Rück- und Seitenspanwinkel gemessen werden.
Unter erneutem Bezug auf das Ablaufdiagramm der Fig. 8 wählt das Programm nach der Berechnung von Seiten- und Rückspanwinkel für eine bestimmte Schneidoberfläche einen Meßpunkt auf dem Umfang der Schneidoberfläche und überprüft die Zusammenhangszahl zwischen diesem Punkt und dem nächsten Meßpunkt im Uhrzeigersinn. Wenn die Zusammenhangszahl Null ist, wird eine Linearinterpolation zwischen den danebenliegenden Koordinaten durchgeführt, um eine Reihe von Koordinaten entlang einer geraden Linie zwischen den nebeneinanderliegenden gemessenen Punkten herzustellen. Das Programm geht zu dem nächsten Meßpunkt im Uhrzeigersinn über, prüft die Zusammenhangszahl zwischen den nebeneinanderliegenden Punkten, und wenn sie gleich 1 ist, erzeugt es eine Serie von Koordinaten durch Kreisbogeninterpolation zwischen den nebeneinanderliegenden Punkten. Das Programm fährt im Uhrzeigersinn über die Schneidoberfläche weiter, bis eine Mehrzahl von Koordinaten durch Interpolation zwischen nebeneinanderliegenden Punkten erzeugt sind, welche den Umfang der Schneidoberfläche definieren. Eine Schleife 118 fährt fort, bis Koordinaten zwischen allen Meßpunkten interpoliert sind, wodurch sie den Schneidoberflächenumfang definieren. Als nächstes projiziert das Programm sowohl die gemessenen als auch die interpolierten Koordinaten in die Bezugsebene 116. Somit kann jede Koordinate in dem projizierten Schneidoberflächenprofil durch zwei Zahlen beichnet werden, und die gemessenen wie auch die interpolierten Koordinaten, die den Umfang der Schneidoberfläche definieren, werden in einer zweidimensionalen Aufstellung gespeichert. Beispielsweise wird auf Fig. 11 verwiesen, die ein Diagramm jeder Schneidoberfläche auf der in die Bezugsebene 116 projizierten Schneidoberfläche auf der Bohrkrone 40 in Fig. 7 ist. Da die Vertikalachse der Bohrkronenkörperachse 42 entspricht, kann jede Koordinate im Umfang eines Schneidoberflächenprofils durch eine Strecke entlang einer radialen Achse und eine Strecke über der radialen Achse bezeichnet werden. Auf der Horizontalachse ist Null beispielsweise in der Mitte des Bohrerkörpers, und 4,25 Zoll ist am Umfang des Bohrerkörpers, da die Bohrkrone 40 in diesem Beispiel ein 8,5 Zoll-Bohrer ist.
Das Profil in Fig. 11 weist ein als "alle Schneiden" bezeichnetes oberes Profil auf, das zeigt, wie jede der Schneidoberflächen auf die Bezugsebene projiziert erscheint. Um die Schneidoberflächen in jeder der drei Spiralen deutlicher zu identifieren, ist eine Projektion auf die Bezugsebene für jede Spirale unter der Projektion für alle Schneiden gezeigt. In Spirale 1 ist zu sehen, daß es kein Profil für die Schneide 8 gibt, da diese noch nicht angebracht wurde.
Unter erneuter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 8, nachdem jede der Schneidoberflächen in den Schneiden 1-7 und 9-36 wie oben beschrieben in einer zweidimensionalen Aufstellung dargestellt wurde, geht das Programm weiter zu Kasten 119, und der Schritt der Berechnung der Kräfte, welche auf jede Schneide einwirken, wird durchgeführt. Bei Betrachtung der Fig. 12 und 13, können allgemein gesagt die Kräfte, die auf eine einzelne der Schneiden auf der Bohrkrone einwirken, als eine normale oder Eindringkraft definiert werden, welche in den Fig. 12 und 13 als Fn bezeichnet ist, und eine Schneidkraft als Fc in Fig. 12. Die normale Kraft ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Schneide in das Gestein eindringen zu lassen, und wird durch die Formel angegeben:
In der obigen Formel ist α der Winkel der Schneide von der X-Achse in Fig. 7, welche als willkürliche Bezugsachse dient, die zur Achse 46 parallel ist und wie die Achse 46 in der Ebene 116 enthalten ist. EBR ist der effektive Rückspanwinkel, welcher eine Funktion des Bezugsachse dient, die zur Achse 46 parallel ist und wie die Achse 46 in der Ebene 116 enthalten ist. EBR ist der effektive Rückspanwinkel, welcher eine Funktion des wirklichen Rückspanwinkels und des tatsächlichen Rückspanwinkels und des tatsächlichen Seitenspanwinkels ist, welche beide vorhergehend diskutiert wurden, sowie dem Winkel, in dem Fn wirkt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 14 ist die in einer Gesteinsformation 120 eingebettete Schneidoberfläche 62 schematisch dargestellt. Obwohl dies in Fig. 14 nicht gezeigt ist, sind die meisten der anderen Schneidoberflächen am Bohrkronenkörper in diesem oder jenem Ausmaß in die Formation 120 eingebettet. Man kann sich den effektiven Rückspanwinkel als den Winkel zwischen der Schneidoberfläche 62 der Schneide und einer Schneiebene 122 vorstellen. Die Schneidebene 122 ist parallel zu einer zwischen den Punkten 124 und 126 auf der Schneidoberfläche gebildeten Achse und senkrecht zu Fn. Die Punkte 124 und 126 sind diejenigen Punkte, an denen die Oberfläche der Formation 120 die Schneidoberfläche 62 schneidet. Anders gesagt definiert der schattierte Bereich auf der Oberfläche 62 den Querschnitt des Schnittes in der Formation 120, der von der Schneidoberfläche 62 hergestellt ist.
Die Ebene 122 ist des weiteren dadurch orientiert, daß eine senkrechte Achse 128 zur Ebene 122 durch die Längsachse des gebohrten Loches hindurchläuft. Wenn während des Bohrens keine Taumelbewegung der Bohrkrone vorliegt, fallen die Längsachse der Bohrung und der Bohrkrone natürlich zus ammen.
Zusammengefaßt ist der effektive Rückspanwinkel der Winkel zwischen der Schneidoberfläche 62 und der Schneidebene 122, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Der effektive Rückspanwinkel kann errechnet werden, wenn der tatsächliche Seiten- und Rückspanwinkel bekannt sind, die, wie man sich erinnern wird, von dem Programm berechnet wurden, und wenn die Position der Schneidebene 122 bekannt ist. Die Position der Schneidebene 122 hängt von der Tiefe des Schnittes ab, die wiederum von der Eindringrate und der Bohrerdrehung abhängt. Wie man sich erinnern wird, werden diese Werte als vorgewählte Parameter an das Programm eingegeben, welche die Bohrbedingungen angeben, unter denen der Bohrer eingesetzt wird.
Bf ist der Bohrerfaktor, eine Variable, die zwischen ca. 0,75 und ca. 1,22 liegt und bei der vorliegenden Art der Durchführung der Erfindung so gewählt wird, daß sie die geringen Unterschiede zwischen Simulationen am Computermodell des Bohrerverschleißes für eine vorgegebene Bohrkrone und unter tatsächlichen Bedingungen auftretenden tatsächlichen Bohrkronenverschleiß erklärt. Der Bohrerfaktor Bf erklärt die nicht erklärten Auswirkungen für einen bestimmten Bohrer. Ein höherer Wert als 1,0 für diesen Faktor zeigt an, daß der Bohrer langsamer als erwartet bohrt, und ein geringerer Wert als 1,0 zeigt an, daß der Bohrer schneller als erwartet bohrt. Ein Durchschnittsfachmann kann den Wert Bf für eine gewählte Bohrkrone empirisch bestimmen.
Die Breite des von der Schneide hergestellten Schnittes ist als dw bezeichnet. Bei der vorliegenden Art der Durchführung der Erfindung erzeugt das Computermodell ein Gitter von parallelen vertikalen Linien zwischen jeder Schneidoberfläche, und dw ist gleich der Breite zwischen nebeneinanderliegenden Linien. Die Gleichung wird dann für jedes Gitter berechnet, um eine Gesamtkraft für die Schneide zu erzeugen.
Die effektive Schnittiefe ist als dce bezeichnet, und C&sub1; ist eine dimensionslose Konstante, welche in der vorliegenden Art der Durchführung der Erfindung gleich 1,100 ist. Die Art, auf die C&sub1; bestimmt wird, ist in Kürze beschrieben, und dce kann um ein Weniges von der tatsächlichen Schnittiefe abweichen. Die Weise der Auswahl des Wertes von dce ist dem Durchschnittsfachmann bekannt.
Unter Betrachtung des zweiten Ausdrucks der Gleichung für F ist Aw der Abnutzungsbereich, RS ist wieder eine auf die Festigkeit der Gesteinsformation bezogene Konstante, und C&sub2; ist eine Konstante, die gleich 2,150 ist.
Die erste Komponente in der Gleichung für Fn ist gleich dem Betrag der nach unten gerichteten Kraft, die erforderlich ist, um zu verhindern, daß die Schneidoberfläche bei einer ausgewählten Schnittiefe und -breite aus dem Schnitt hochfährt. Die zweite Komponente der Gleichung für F/n umfaßt einen Faktor für eine stumpfe Schneide, auf der eine Verschleißbflachung mit der Fläche Aw gebildet ist. Dieser Abschnitt der normalen Kraft ist diejenige, die erforderlich ist, um das Gestein unter einer stumpfen Schneide zu komprimieren, damit diese in das Gestein eindringen kann. C&sub1; und C&sub2; können empirisch bestimmt werden, indem man zuerst eine neue Schneide verwendet und somit Aw auf Null einstellt, wodurch der gesamte zweite Ausdruck zu Null wird. Eine bekannte normale Kraft kann angewendet werden, und C&sub1; kann bestimmt werden, wenn alle anderen Faktoren bekannt sind. Danach wird der Wert für C&sub1; = 1,100 in die Gleichung eingesetzt und der Bohrer wird verwendet, bis Verschleißabflachungen auftreten. Danach wird die Fläche der Verschleißabflachung gemessen und in die Gleichung eingesetzt, die dann für C&sub2; gelöst wird, das bei der vorliegenden Weise der Durchführung der Erfindung gleich 2150 ist.
Die Schneidenumfangskraft Fc in Fig. 12 ist diejenige, die erforderlich ist, um die Schneide entlang des Schnittes weiterzubewegen, nachdem die normale Kraft diese in der Formation einbettet. Ein Pfeil, der die Ausrichtung von Fc darstellt, ist in Fig. 7 auch gezeigt. Die Schneidenumfangskraft hängt von der Gleitreibung zwischen der Schneide und dem Gestein sowie der Kraft ab, die nötig ist, um das Gestein zu zerbrechen. Die folgende Gleichung kann verwendet werden, um die Schneidenumfangskraft zu berechnen:
Der erste Ausdruck der Gleichung für die Schneidenumfangskraft ist die Schneidkraft, d.h. die Kraft, die erforderlich ist, um das Gestein zu zerbrechen, und der zweite Ausdruck ist die unproduktive Reibung, die mit einer Verschleißabf lachung aufgebracht wird. Die Variablen in der Gleichung sind wie oben beschrieben, und zusätzlich ist dw die durchschnittle Schnittiefe. Bei der vorliegenden Weise der Durchführung der Erfindung sind die dimensionslosen Konstanten C&sub3; und C&sub4; gleich 3,000 bzw. 0,3.
C&sub3; und C&sub4; können empirisch bestimmt werden, indem man mit zwei bekannten, auf die Bohrkrone aufgebrachten Kräften bohrt und alle bekannten Variablen in die Gleichung für die Schneidenumfangskraft bei jedem Wert der Umfangskraft einsetzt und beide Gleichungen für C&sub3; und C&sub4; löst.
Bei dem betrachteten Beispiel, d.h. Bohrkrone 40 in Fig. 7, wird der Wert der Umfangskraft und der normalen Kraft wie in Fig. 12 dargestellt an jeder Schneide berechnet. Wie oben bemerkt wurde, ist die Schnittiefe eine Funktion der Eindringrate und der Bohrerdrehrate, welche beide als vorgewählte Werte an den Computer geliefert werden. Da die Schneiden an der Bohrkrone an einer Oberfläche schneiden können, die zu der Vertikalen um einen Winkel beta geneigt ist, dargestellt in Fig. 14, kann die Normalkraft in eine vertikale und eine radiale Komponente aufgelöst werden, und die Umfangskraft kann in radiale Komponenten und ein Moment um die Bohrermitte aufgelöst werden. Die radiale Komponente der normalen Kraft, die in Fig. 14 als Fr identifiziert ist, ist gleich Fn × sin(β).
Die Komponenten der normalen Kraft und der Umfangskraft, die in der zu der Drehachse des Bohrers normalen Ebene auf den Bohrer einwirken, können in eine einzige Kraft, die auf die Bohrermitte einwirkt, und ein Kräftemoment aufgelöst werden, die beide in der normalen Ebene liegen. Das Kräftemoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um den Bohrer zu drehen, und die Kraft ist die Ungleichgewichtskraft, d.h. die Kraft, die dazu tendiert, den Bohrer gegen die Seite der Bohrung zu drücken.
Bei der Berechnung der Größe und Richtung der Ungleichgewichtskraft ist es hilfreich, die Schneidenkräfte in Komponenten entlang der X- und Y-Richtungen aufzulösen, wie in Fig. 7 bezeichnet ist. Wie schon erwähnt wurde, sind diese Achsen willkürlich gewählt, aber relativ zu jeder einzelnen, charakteristischen Merkmal auf dem Bohrer feststehend. Die vertikale Eindringkraft Fv hat keine Komponente in diese Richtungen. Die radiale Eindringkraft (Fr) der normalen Kraft (Fn) kann in Komponenten entlang der X- und Y- Achsen durch die folgenden Gleichungen aufgelöst werden:
Fx-r = Fr × cos(alpha)
Fy-r = Fr × sin(alpha)
Da die Umfangskraft in rechten Winkeln zu der radialen Kraft für jede Schneide wirkt, kann sie in Komponenten in den X- und Y-Richtungen aufgelöst werden durch die folgenden Gleichungen:
Fx-c = Fc × cos(alpha - 90)
Fy-c = Fc × sin(alpha - 90)
Es ist verständlich, daß an jeder Schneide keine radiale Komponente von Fc vorhanden ist; wenn jedoch der Wert von Fc an jeder Schneide in Komponenten entlang der X- und Y- Achsen in Fig. 7 aufgelöst und diese Vektoren summiert werden, so kann es eine gesamte radiale Komponente der Umfangskraft geben. Die gesamten X- und Y-Komponenten der Ungleichgewichtskraft werden dann hergestellt, indem man die Komponenten von den einzelnen Schneiden wie folgt summiert:
Fxt = Fx-r + Fx-c
Fyt = Fx-r + Fy-c
Nach einer solchen Summierung wird die Größe der radialen Ungleichgewichtskraft gegeben von:
Fi [Fxt² + Fyt²]
Unter erneuter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 8 zeigt es sich, daß der in Kasten 130 identifizierte Schritt durchgeführt wird, indem man die Schneidenkräfte in einer zu der Bohrkronenachse senkrechten Ebene in eine einzige Ungleichgewichtskraft wie oben beschrieben auflöst. Auf ähnliche Weise wird ein Moment berechnet, das dazu tendiert, die Bohrkrone in einer zu der Mittelachse parallelen Ebene zu neigen.
Das abschließende Schritt im Ablaufdiagramm ist als "Position der Schneiden berechnen" identifiziert. Bei dem betrachteten Beispiel bleibt nur noch eine Schneide, die Schneide 8, an den Bohrkronenkörper anzubringen. Ein schrittweiser Vorgang kann verwendet werden, um die Position für die Schneide 8 zu berechnen, welche die Ungleichgewichtskraft auf den Lagerbereich hin richtet. Zuerst ist zu sehen, daß die Schneide um die Längsachse des Schneidenstiftes in der Bohrung 114 radial positioniert werden kann und des weiteren an Tiefen angebracht werden kann, die von einer vollständigen Einpassung, d.h. bei der der Stift gegen das unter Ende der Bohrung anliegend aufgenommen wird, bis zu einer darüberliegenden Position variieren. Anfänglich werden der Schneide 8 ein willkürlicher Rück- und Seitenspanwinkel und eine willkürliche vertikale Position der Schneidoberfläche innerhalb vorgewählter Bereiche zugewiesen, und das Programm zur Modellierung der Bohrkrone und zur Berechnung der Schneidkräfte wird mit der Schneide 8 in der zugewiesenen Position neu durchgeführt. Das Programm wird wiederholt durchgeführt, wobei die Oberfläche der Fläche 8 in einer Richtung neu positioniert wird, welche dazu tendiert, die Ungleichgewichtskraft zu erhöhen und richtig auszurichten. Das Programm erzeugt letzlich einen Satz von Koordinaten, welche eine Position für die Schneidoberfläche der Schneide 8 identifizieren. Danach wird die Schneide 8 angebracht, wobei darauf geachtet wird, ihre Schneidoberfläche in der berechneten Position zu positionieren.
Die folgende Tabelle I stellt einen Ausgang zur Verfügung, der nach der Anbringung der Schneide 8 erzeugt wurde. Die berechneten Werte umfassen das Schnittvolumen (während einer Umdrehung entferntes Volumen) und die Geschwindigkeit jeder Schneide. Die vorliegende Drehgeschwindigkeit und Eindringrate sind nach der Tabelle gezeigt. Die Fläche der Verschleißabflachung wird auf eine bekannte Weise für 5.0 Bohrstunden berechnet. Das prozentuale Ungleichgewicht ist die Ungleichgewichtskraft, ausgedrückt als Prozentanteil des Bohrdrucks (WOB), welcher für jede Schneide insgesamt Fyt beträgt.
Hinweis: Die Gleichungen wurden in Vektornotation geändert. Osman-Gleichung Amoco-Gleichung
wobei: s = der resultierende Kraftvektor auf dem Plättchen
i = der Schneidkraftvektor auf der Klinge i
n = die Vorschubkraft auf Klinge i
β = die Neigung der Schneidoberfläche
n = die Anzahl von Klingen
sind.
Unter Verwendung eines beispielhaften Bohrerprofils, das in der beigefügten Zeichnung gezeigt ist, wurden die Kraftgleichungen von Osman et al. sowie die von den Anmeldern beschriebenen Kraftgleichungen verwendet, um zwei Bohrkronen zu entwerfen. Wie in den beigefügten Computerausgaben gezeigt ist, verwenden Osman et al. nur zwei Kraftkomponenten, während die Anmelder vier Kraftkomponenten verwenden, wodurch sich Bohrkronen mit Lagerbereichen ergeben, die ca. 180º auseinanderliegen.
Es sollte verstanden sein, daß das Verfahren nicht einfach auf die Positionierung einer Schneide innerhalb einer vorgebohrten Bohrung beschränkt ist. Das Programm kann verwendet werden, um die Position für die Bohrungen im Bohrkronenkörper für eine oder mehrere Schneiden auszuwählen, nachdem eine vorgewählte Anzahl von Schneiden angebracht ist, und das Programm kann durchgeführt werden, um die Ungleichgewichtskraft zu bestimmen. Ein schrittweiser Vorgang ähnlich dem oben beschriebenen kann wie in dem betrachteten Beispiel verwendet werden, zwei oder mehr verbliebene Schneiden entweder innerhalb von vorgebohrten Bohrungen zu positionieren, oder das Programm kann verwendet werden, die Position von Bohrungen zu bestimmen, die gebohrt werden sollen.
Weiterhin ist das Programm nicht notwendigerweie auf Schneiden von der Art beschränkt, von denen sich Stifte erstrecken, die in Bohrungen in einem Bohrkronenkörper aufgenommen werden sollen. Das gleiche Programm kann verwendet werden, um Schneiden zu positionieren, die durch Hartlöten oder ein anderes bekanntes Verfahren direkt an einem Bohrkronenkörper befestigt werden.
Es zeigt sich, daß das Programm die Herstellung der Bohrkrone mit dem anfänglichen Satz von Schneiden ermöglicht, die mit relativ großen Fertigungstoleranzen in Bezug auf die Schneidoberflächen angebracht sind. Danach, wenn die Position der ausgleichenden Schneide(n) bestimmt ist, welche die Ungleichgewichtskraft richtig ausrichtet/ausrichten, kann man sehr sorgfältig vorgehen, um die abschließenden Schneiden so zu positionieren, daß das erwünschte Ergebnis erhalten wird. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Anbringung der überwiegenden Mehrzahl von Schneiden mit relativ großen Toleranzen, wodurch im Herstellungsvorgang Zeit und Geld gespart werden. Zusätzlich erzeugt das Programm eine Position für den/die letzte(n) Schneide(n), welche die Ungleichgewichtskraft bei der solcherart hergestellten Bohrkrone richtig ausrichtet/ausrichten. Die durchschnittliche Qualität der auf diese Weise hergestellten Bohrer ist daher wesentlich besser als die durchschnittliche Qualität gemäß den Verfahren des Standes der Technik.
Des weiteren kann die vorliegende Erfindung leicht verwendet werden, um einen schon vorhandenen Bohrer so zu modifizieren, daß er den definierten Lagerbereich an einer richtigen Stelle aufweist. Diese Modifikation kann erreicht werden, indem die Richtung der Ungleichgewichtskraft wie oben beschrieben bestimmt wird und dann Schneiden auf einem Bereich entfernt werden, auf den die Ungleichgewichtskraft gerichtet ist. Die entfernten Schneiden können durch ein vorgefertigtes Plättchen oder eine Mehrzahl von Stiften oder Plättchen ersetzt werden. Die Durchführung einer Anzahl solcher sich wiederholenden Schritte kann erforderlich sein, um sicherzustellen, daß die Größe der Ungleichgewichtskraft akzeptabel und diese auf die richtige Stelle gerichtet ist. Solche sich wiederholenden Schritte können das Auswechseln, Entfernen und Neuanordnen von Schneiden umfassen, um die gewünschten Resultate zu erhalten.
Es wurde eine handelsübliche PDC-Bohrkrone gewählt, da sie sehr ungleichgewichtig entworfen ist und schlecht bohrt. Um sicherzugehen, daß diese schlechte Leistung nicht repräsentativ war, wurden drei verschiedene Bohrkronen des gleichen Herstellers, vom gleichen Modell und von gleicher Größe auf ahnliche Weise getestet. Die Hauptursache für die schlechte Leistung beruht auf Bohrerflattern, welches dazu führt, daß die Bohrkrone ein ausgebauchtes Bohrlochmuster erstellt. Um die vorliegende Erfindung zu testen, wurde eine der ausgewählten PDC-Bohrkronen so modifiziert, daß sie einen Lagerbereich mit geringer Reibung aufwies. Dies resultierte in einer Bohrkrone, die für den Test des Kalibrierkonzeptes mit niedriger Reibung ausreichend, aber kein optimierter Entwurf war.
Fig. 15 zeigt die Schneidenanordnung der Bohrkrone, und die errechnete Richtung der ca. 2100 amerikanische Pfund (lb) betragenden Ungleichgewichtskraft ist angezeigt. Größe und Richtung dieser Ungleichgewichtskraft wurden mit dem oben beschriebenen Computerprogramm für ein PDC-Bohrkronenmodell berechnet. Um diesen Lagerbereich zu definieren, wurden Schneiden auf die beschriebene Weise auf der Seite des Bohrers entfernt, um eine relativ glatte Gleitfläche anstatt einer Schneidoberfläche zur Verfügung zu stellen. Obwohl der Begriff der niedrigen Reibung zur Kennzeichnung des Lagerbereichs verwendet wird, sorgte die besondere Geometrie dieser Bohrkrone immer noch für eine ziemlich hohe Reibung.
Es ist zweckdienlich, zuerst die Leistung der PDC-Bohrkrone vor dem Abnehmen der Schneiden zu betrachten, um den Nutzen der Entfernung der Schneiden zu bewerten.
Die Bohrsohlenmuster zeigten Flattern an. Fig. 16 und 17 zeigen typische Diagramme für die Vibrationen, die beim Bohren mit der Bohrkrone durch Carthago-Kalkstein und Dolomit mit 120 U/min. auftraten. Fig. 18 zeigt sogar, daß die PDC-Bohrkrone bei 1800 lb Bohrdruck und 120 U/min. flatterte.
Nach dem Entfernen der ausgewählten Schneiden, um einen Lagerbereich an der Stelle zu definieren, auf die die Ungleichgewichtskräfte gerichtet waren, wurde die Bohrkrone noch einmal in Carthago-Kalkstein und Dolomit eingesetzt unter Bedingungen, die identisch zu den vorhergehenden Tests vor dem Entfernen der Schneiden waren. Die Eohrsohlenmuster für die Tests in Carthago-Kalkstein und Dolomit waren äußerst glatt. Das Loch im Carthago-Kalkstein war vollständig kalibriert, und im Dolomit nur 1/16 Zoll überkalibriert. Fig. 19 zeigt einen Vergleich des mit dem oben beschriebenen Computerprogramm vorhergesagten Bohrsohlenmusters und des mit dem Carthago-Kalksteintest gemessenen. Die ausgezeichnete Übereinstimmung der Vorhersage und dem tatsächlichen Ergebnis zeigte an, daß die Bohrkrone wie durch das Modell vorhergesagt belastet war und eine lange Abnutzungslebensdauer zur Verfügung stellen müßte.
Die gleiche PDC-Bohrkrone wurde vor dem Abnehmen der Schneiden an einem Turbinenantrieb mit hohen Drehgeschwindigkeiten getestet. Das Bohrsohlenmuster zeigte sehr ausgeprägte Flattermuster, und Fig. 20 zeigt die während dieser Tests aufgezeichneten Vibrationsdaten. Fig. 21 zeigt die stark reduzierten Vibrationsdaten für die Bohrkrone nach dem Abnehmen der Schneiden. Des weiteren war das Bohrloch nur 1/8 Zoll überkalibriert, und es zeigten sich überhaupt keine Anzeichen von Flattermustern.
Von abgerundeten Abnutzungsknöpfen, die auf der Oberfläche mit "niedriger Reibung" angebracht waren, von der die Schneiden entfernt waren, wurde Gesteinsmehl aufgepflügt. Während des Tests im Dolomit (weicheres Gestein) sammelte sich mehr Mehl an als während des Tests im Carthago-Kalkstein. Die Tatsache, daß das Gesteinsmehl nur an den Knöpfen in dem Bereich zu sehen war, in dem die Schneiden entfernt waren, ist ein weiteres Anzeichen dafür, daß die richtige Stelle für das Entfernen der Schneiden auf dem Bohrer gewählt wurde, um den Lagerbereich mit niedriger Reibung zur Verfügung zu stellen.
Es ist nicht so einfach, die mit der PDC-Bohrkrone erzielten Eindringraten vor und nach dem Entfernen der Schneiden zu quantifizieren, da es wegen der starken Vibrationen nicht möglich war, Leistungstests mit der Bohrkrone in ihrein ursprünglichen Zustand durchzuführen. Fig. 22 zeigt einen Vergleich der Bohrkrone in Dolomit bei 120 U/min., bevor der Lagerbereich mit geringer Reibung gebildet wurde.
Die Eindringrate ist etwa die gleiche für beide Zustände, aber während der ersten Tests (ohne Entfernen von Schneiden) wurden 23 von 42 Schneiden abgesplittert. Diese abgesplitterten Schneiden können zu einer verminderten Eindringrate in darauffolgenden Tests geführt haben. Fig. 23 zeigt zwei Tests in Carthago-Kalkstein, die anzeigen, daß die Eindringrate vor der Bildung des Lagerbereichs um ein Geringes höher gewesen sein kann, aber die ursprünglichen Tests wurden durchgeführt, bevor die Schneiden im Dolomit abgesplittert wurden. Gemäß diesen Tests ist es möglich, daß der Lagerbereich mit niedriger Reibung die Eindringrate nicht besonders verbesserte, während er ihr wiederum sicherlich nicht abträglich war.
Fig. 24 zeigt einen Vergleich der Eindringrate, die mit der Bohrkrone bei 1050 U/min. erzielt wurde, nachdem der Lagerbereich mit niedriger Reibung gebildet wurde, mit der Leistung bei 60 U/min. vor seiner Bildung. Anfänglich war die Drehzahl auf 60 U/min. beschränkt wegen der starken Vibrationen, aber nachdem der Bohrer modifiziert war, konnten 1050 U/min. leicht erreicht werden. Tatsächlich waren die Vibrationen bei 1050 U/min. geringer, als sie bei 60 U/min. vor der Modifizierung der Bohrkrone waren. Die Kombination aus hoher Eindringrate und geringen Vibrationen, die mit der grob modifizierten Bohrkrone erzielt wurden, zeigt das Potential des vorliegenden Konzeptes als Mittel, um eine sehr akzeptable Hochgeschwindigkeits-Bohrkrone zur Verfügung zu stellen, die kein zerstörendes Flattern aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert wurde, versteht sich von selbst, daß neben den gezeigten oder vorgeschlagenen andere und weitere Modifizierungen innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche angegebenen Umfanges der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.

Claims

1. Bohrkrone für unterirdische Bohrungen, die mit einer Drehantriebsquelle zum Bohren in unterirdisches Erdmaterial betreibbar ist, um ein Bohrloch mit einer Bohrlochwand herzustellen, mit einem Bohrkronenkörper (12), der ein um eine Bohrerlängsachse (42) angeordnetes Schaftteil (14) zur Aufnahme der Drehantriebsquelle, einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und von dem Schaftteil ausgehenden Kalibrierabschnitt und einem um die Bohrerlängsachse angeordneten und von dem Kalibrierabschnitt ausgehenden Stirnflächenabschnitt aufweist; wobei eine Vielzahl von Schneidelementen (18) vorgesehen sind, die an dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt fest angeordnet und davon überstehend im Abstand voneinander befestigt sind, und wobei jedes Schneidelement so positioniert ist, daß es in einer im wesentlichen zur Bohrerlängsachse senkrechten Ebene rotiert,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schneidelemente so positioniert sind, daß während des Bohrvorgangs eine Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft entlang eines zur Bohrerlängsachse annähernd senkrechten Netto- Radial-Ungleichgewichtskraftvektors erzeugt wird,

daß ein im wesentlichen durchgängiger schneidenloser Bereich auf dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt um eine bzw. im Bereich einer durch die Bohrerlängsachse und den Netto-Radial-Ungleichgewichtsvektor gebildeten Ebene angeordnet ist,

und daß im schneidenlosen Bereich mindestens ein im wesentlichen glatter Lagerbereich (20) um die Ebene angeordnet ist, um während des Bohrens die Bohrlochwand zu berühren.

2. Bohrkrone nach Anspruch 1, wobei die Netto-Radial-Ungleichgewichstskraft die Summe der Radialkomponenten der Normalkraft und der Umfangskraft der einzelnen Schneidelemente ist.

3. Bohrkrone nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schneidelemente polykristalline Diamantpreßlinge sind.

4. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lagerbereich (20) mindestens eine im wesentlichen glatte, verschleißfeste, am Kalibrierabschnitt angeordnete Gleitoberfläche umfaßt.

5. Bohrkrone nach Anspruch 4, wobei die Gleitoberfläche eine Verschleißschicht (22) umfaßt.

6. Bohrkrone nach Anspruch 4, wobei die Gleitoberfläche Diamanteinsätze (24) aufweist.

7. Bohrkrone nach Anspruch 4, wobei die Gleitoberfläche Diamantplättchen (26) aufweist.

8. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Gleitoberfläche einen hinreichend großen Oberflächenbereich hat, so daß, dann wenn die Gleitoberfläche während des Bohrens gegen die Bohrwand gepreßt wird, die ausgeübte Kraft kleiner ist als die Druckfestigkeit des unterirdischen, die Bohrlochwand bildenden Materials.

9. Bohrkrone nach Anspruch 1, wobei der Lagerbereich (20) mindestens eine zylindrische, am Bohrkronenkörper (12) angeordnete Rolle umfaßt, die während des Bohrens über die Bohrlochwand abrollen kann.

10. Verfahren zur Herstellung einer zum Einbringen von unterirdischen Bohrungen dienenden, durch eine Drehantriebsquelle antreibbaren Bohrkrone, um ein Bohrloch mit einer Bohr lochwand herzustellen, wobei die Bohrkrone (10) einen Bohrkronenkörper (12) mit einem um eine Bohrerlängsachse (42) angeordneten Schaftteil (14) zur Aufnahme des Drehantriebes, einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und sich von dem Schaftteil erstreckenden Kalibrierabschnitt und einen um die Bohrerlängsachse angeordneten und sich von dem Kalibrierabschnitt erstreckenden Stirnflächenabschnitt aufweist; wobei eine Vielzahl von Schneidelementen (18) vorgesehen sind, die an dem Stirnflächenabschnitt und am Kalibrierabschnitt fest angeordnet und davon überstehend im Abstand voneinander befestigt sind, und wobei jedes Schneidelement so positioniert ist, daß es in einer im wesentlichen zur Bohrerlängsachse senkrechten Ebene rotiert,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte;

Anordnen der Schneidelemente derart, daß während des Bohrens eine Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft entlang eines ungefähr zur Bohrerlängsachse senkrechten Netto-Radial-Ungleichgewichstskraftvektors erzeugt wird indem ein Geometriemodell des Bohrkronenkörpers und der Schneidelemente generiert wird;

Berechnen der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft unter definierten Bohrparametern;

Verwenden der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraft und des Modells zur Berechnung von Veränderungen der Position von mindestens einem Schneidelement, welches bei Anordnung des Schneidelements am Stirnflächenabschnitt eine Netto-Ungleichgewichtskraft entlang eines Netto-Radial-Ungleichgewichtskraftvektors erzeugen würde, und montieren der Schneiden am Stirnflächenabschnitt in der so berechneten Position;

Anordnen eines im wesentlichen durchgängigen schneidenlosen Bereichs auf dem Stirnflächenabschnitt und dem Kalibrierabschnitt um eine durch die Bohrerlängsachse und den Netto- Radial-Ungleichgewichtsvektor gebildete Ebene; und Anordnen mindestens einer im wesentlichen glatten, gegen Verschleiß widerstandsfähigen Gleitfläche im schneidenlosen Bereich am Kalibrierabschnitt um die Ebene zur Erzielung eines Gleitkontaktes mit der Bohrlochwand während des Bohrens, wobei der Netto-Radial-Ungleichgewichtskraftvektor von ausreichender Größe ist, um die Gleitoberfläche mit der Bohrlochwand während des Bohrens im wesentlichen in Berührung zu halten.

11. Verfahren zur Herstellung einer unterirdischen Bohrkrone nach Anspruch 10, wobei die Netto-Radial-Ungleichgewichstskraft die Summe der Radialkomponenten der Normalkraft und der Umfangskraft der einzelnen Schneidelemente ist

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Schritt des Generierens eines Modelles der Geometrie des Bohrkörpers und der Schneidelemente den Schritt der Bestimmung der räumlichen Koordinaten einer Vielzahl von Punkten auf dem Bohrkörper und auf jedem der Schneidelemente umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem weiteren Verfahrensschritt des Berechnens des Anstellwinkels der Schneidoberfläche jedes Schneidelements unter Verwendung der räumlichen Koordinaten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, mit dem weiteren Verfahrensschritt der Erzeugung zusätzlicher räumlicher Koordinaten für jede Schneidoberfläche durch Interpolation zwischen den auf den Schneidelementen bestimmten räumlichen Koordinaten.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei jedes der Schneidelemente über eine Schneidoberfläche verfügt und wobei der Verfahrensschritt des Berechnens der Netto-Ungleichgewichtskraft, unter einer vorgewählten Bohrerdrehgeschwindigkeit, Eindringrate und Gesteinsfestigkeit, folgende Schritte umfaßt:

Berechnen der relativen Positionen der Schneidoberflächen an den Schneidelementen;

Berechnen der Kräfte, die auf jedes Schneidelement bei der vorgewählten Bohrerdrehgeschwindigkeit, Eindringrate und Gesteinsfestigkeit einwirken; und

Auf summieren der Radialkräfte, die auf die einzelnen Schneidelemente einwirken, um die Ungleichgewichtskraft zu bestimmen.

16. Verfahren nach der Anspruch 10 oder 11, welches die folgenden Verfahrensschritte einschließt:

Festlegen eines dreidimensionalen Koordinatensystems in dem der Bohrerkörper enthalten ist;

Bestimmen der Koordinaten einer Vielzahl von Punkten auf dem Bohrkörper und auf jeder der darauf montierten Schneiden;

Speichern der so bestimmten Koordinaten in einem Speicher;

Berechnen der Position jeder Schneidoberfläche relativ zur Längsachse des Bohrkörpers unter Verwendung der gespeicherten Koordinaten;

Berechnen der Kräfte, die auf jede der auf dem Bohrkörper montierten Schneiden einwirkt, basierend auf der Berechnung der einzelnen Schneidoberflächenpositionen für definierte Bohrparameter;

Auflösen der radialen Schneidkraftkomponenten zu einer einzigen radialen Ungleichgewichtskraft;

Verwenden der Ungleichgewichtskraft, um die Koordinaten von mindestens einer zusätzlichen Schneidoberfläche zu berechnen, welche, falls vorhanden, eine Netto-Ungleichgewichtskraft erzeugen würde, die zur Lagerfläche hin gerichtet ist; und

Montieren einer zusätzlichen Schneide auf dem Bohrkörper an einer Position, welche deren Schneidoberfläche an den so berechneten Koordinaten plaziert.

17. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, welches die folgenden Schritte einschließt:

Erzeugen eines Feldes oder einer Gruppe von räumlichen Koordinaten stellvertretend für ausgewählte Oberflächenpunkte auf dem Bohrkörper;

Verwenden des Feldes, um die Position einer jeden Schneidoberfläche relativ zur Längsachse der Bohrkörpers zu berechnen;

Auswählen von Werten für ausgewählte Bohrparameter, welche für die Bedingungen, unter denen die Bohrkrone eingesetzt wird, repräsentativ sind;

Verwenden der Schneidoberflächenpositionen und der ausgewählten Werte, um die Kräfte, die auf die einzelnen auf dem Bohrkörper montierten Schneiden einwirken, zu berechnen;

Auflösen der Radialkomponenten der so berechneten Kräfte zu einer einzelnen radialen Ungleichgewichtskraft;

Räumliches Festlegen eines Bereiches auf dem Bohrkörper, auf den die radiale Ungleichgewichtskraft hin gerichtet ist; und

Entfernen der Schneiden von dem Bereich, um die schneidenlose Region zu bestimmen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Verfahrensschritt des Verwendens der Schneidoberflächenpositionen und der ausgewählten Werte zur Berechnung der Kräfte, die auf jede auf dem Bohrkörper montierte Schneide einwirken, folgende Verfahrensschritte umfaßt

Berechnen der Eindring- bzw. Vorschubkräfte; und

Berechnen der Schnittkräfte.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Schritt des Verwendens des Feldes zur Berechnung der Position einer jeden Schneidoberfläche relativ zum Bohrkörper folgende Schritte umfaßt:

Berechnen des Rückspanwinkels der Schneidoberfläche der Schneide; und

Berechnen des Seitenspanwinkels der Schneidoberfläche der Schneide.