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Die
Erfindung betrifft allgemein Drehbohrmeißel und insbesondere Drehbohrmeißel für die Verwendung
in Bohrlöchern
in Untergrundformationen.
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Bei
der normalen Konstruktion des Standes der Technik wird die Dickenbestimmungsregion
eines Drehbohrmeißels
von einer Mehrzahl von Kickern gebildet, die um die Außenperipherie
des Meißelkörpers herum
beabstandet und mit Lagerflächen
ausgebildet werden, die beim Gebrauch an der Wand des Bohrlochs
anliegen. Die Kicker bilden im Allgemeinen Fortsetzungen von jeweiligen
Schneiden, die an der Frontfläche
des Meißels
ausgebildet sind und von der Achse des Meißels in Richtung auf die Dickenbestimmungsregion
nach außen
weg verlaufen, um zwischen den Schneiden Fluidkanäle zu definieren,
die in Richtung auf die Dickenbestimmungsregion führen. Die
Räume zwischen
den Kickern definieren Brockenschlitze, mit denen die Kanäle zwischen den
Schneiden in Verbindung stehen. Während des Bohrens fließt durch
den Bohrstrang nach unten zu Düsen
im Meißelkörper gepumptes
Bohrfluid nach außen
durch die Kanäle
in die Brockenschlitze am Ende der Kanäle und passiert durch die Brockenschlitze
nach oben in den Annulus zwischen dem Bohrstrang und der Wand des
Bohrlochs.
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Während solche
PDC-Meißel
beim Bohren von relativ weichen Formationen sehr erfolgreich waren,
waren sie beim Bohren von härteren
Formationen, einschließlich
weicher Formationen, die härtere Einschlüsse oder
Stringer enthalten, weniger erfolgreich. Es sind zwar in härteren Formationen
gute Penetrationsraten möglich,
aber die PDC-Cutter können schneller
abnutzen. Somit kann die Meißellebensdauer
zu kurz sein, um kommerziell akzeptabel zu sein.
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Studien
haben den Schluss nahegelegt, dass der schnelle PDC-Verschleiß von Meißeln in härteren Formationen
auf ein Splittern der Cutter infolge von Stößen zurückzuführen sein kann, die durch Vibrationen
des Drehbohrmeißels
verursacht werden. Einer der schädlichsten
Vibrationstypen kann einem Phänomen
zugeschrieben werden, das als „Bit
Whirl" (Meißelwirbelung)
bezeichnet wird, bei dem der Drehbohrmeißel beginnt, um das Loch in
der entgegengesetzten Richtung zur Drehrichtung des Drehbohrmeißels zu
arbeiten. Ein Ergebnis des Meißelwirbelns
ist, dass einige Cutters sich möglicherweise
vorübergehend
in der Gegenrichtung relativ zur Formation bewegen, und dies kann
zu Schäden an
den Schneidelementen führen.
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Man
ist der Ansicht, dass die Stabilität eines solchen Drehbohrmeißels und
seine Fähigkeit,
Vibrationen auszuhalten, durch Vergrößern der Lagerflächen an
der Dickenbestimmungsregion verbessert werden kann, die an der Wand
des Bohrlochs angreifen. Bei Designs des Standes der Technik kann
der Angriffsbereich jedoch nur durch Verlängern und/oder Verbreitern
der Lagerflächen
an den Kickern vergrößert werden.
Es ist möglicherweise
unerwünscht,
die Lagerflächen
zu verlängern,
da dies zu Schwierigkeiten beim Lenken des Meißels in lenkbaren Bohrsystemen
führen
kann. Ebenso führt
eine Umfangsverbreiterung der Lagerflächen unbedingt zu einer Reduzierung
der Breite der Brockenschlitze zwischen den Lagerflächen, und
dies kann zu einem nicht optimalen Hydraulikfluss von Bohrfluid
durch die Kanäle
und über
die Cutter oder zu einer Verstopfung der Brockenschlitze und Kanäle mit Schutt
führen.
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Die
US 5449048 beschreibt einen
Drehbohrmeißel
mit einer Mehrzahl von aufrecht stehenden Schneiden, auf denen Schneidelemente
montiert werden, wobei die Schneiden Fluidkanäle dazwischen definieren.
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Die
europäische
Patentspezifikation
EP 0707132 beschreibt
und beansprucht Anordnungen zum Mindern oder Überwinden von einigen der obigen
Nachteile. Die Spezifikation beschreibt insbesondere einen Drehbohrmeißel mit
einer Frontfläche und
einer Dickenbestimmungsregion, einer Mehrzahl von Schneiden, die
an der Frontfläche
des Meißels montiert
sind und von der Achse des Meißels
in Richtung auf die Dickenbestimmungsregion nach außen weg
verlaufen, um zwischen den Schneiden eine Mehrzahl von Fluidkanälen zu definieren,
die in Richtung auf die Dickenbestimmungsregion führen, einer Mehrzahl
von Schneidelementen, die entlang jeder Schneide montiert sind,
und einer Mehrzahl von Düsen
im Meißelkörper zum
Zuführen
von Bohrfluid zu den Kanälen,
um die Schneidelemente zu reinigen und zu kühlen. In wenigstens einem der
Kanäle
ist neben der Dickenbestimmungsregion eine Öffnung in eine umschlossene
Passage vorgesehen, die intern durch den Meißelkörper zu einem Auslass passiert, der
beim Gebrauch mit dem Annulus zwischen dem Bohrstrang und der Wand
des gebohrten Bohrlochs in Verbindung steht, wobei der Teil der
Dickenbestimmungsregion außerhalb
der Öffnung
eine Lagerfläche
aufweist, die beim Gebrauch an der Wand des Bohrlochs anliegt und über die
Breite des einen Kanals verläuft.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Modifikationen und Weiterentwicklungen
der Erfindung, auf die in der
EP
0707132 verwiesen wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Drehbohrmeißel für den Anschluss an
einen Bohrstrang und zum Bohren von Löchern in Untergrundformationen
bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen Meißelkörper mit einer Frontfläche und
einer Dickenbestimmungsregion; eine Mehrzahl von Schneidelementen,
die an der Frontfläche
des Meißelkörpers montiert
sind; eine Mehrzahl von Fluidkanälen,
die in der Frontfläche
des Meißelkörpers ausgebildet
sind; eine Mehrzahl von Düsen
im Meißelkörper zum
Zuführen
von Bohrfluid zu den Kanälen
zum Reinigen und Kühlen
der Schneidelemente; eine Öffnung
in jedem umfangsmäßig zweiten
Kanal, wobei jede dieser Öffnungen
in eine umschlossene Passage führt,
die intern durch den Meißelkörper zu einem
jeweiligen Auslass passiert; eine Lagerfläche, die an einem Abschnitt
der Dickenbestimmungsregion angeordnet ist, die von jeder Öffnung radial
nach außen
verläuft;
und wobei jeder umfangsmäßig zweite
Kanal, der nicht mit einer zu einer Innenpassage führenden Öffnung versehen
ist, an seinem äußeren Ende
einen Brockenschlitz aufweist, der durch die Dickenbestimmungsregion
verläuft.
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In
jeder umschlossenen Passage kann eine Düse zum Zuführen von Bohrfluid vorgesehen
sein, wobei die Düse
wenigstens teilweise zu den Öffnungen
hin gerichtet ist, um Bohrfluid durch die Öffnung zur Frontfläche des
Meißelkörpers zu
führen.
Alternativ oder zusätzlich
kann in der Passage eine Düse zum
Zuführen
von Bohrfluid vorgesehen sein, wobei die Düse wenigstens teilweise zu
dem Auslass aus der Passage hin gerichtet ist, um Bohrfluid durch
den Auslass zu führen.
In jedem Fall kann die Düse
in einer Fassung in einer Wand der Passage montiert sein, wobei
die Achse der Fassung und der Düse
in Bezug auf die Achse der Passage geneigt ist.
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Jede
Lagerfläche
verläuft
vorzugsweise über den
Kanal, um dadurch den Fluss von Bohrfluid von dem Kanal über die
Dickenbestimmungsregion des Bohrmeißels zu hemmen.
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Die
Frontfläche
des Meißelkörpers kann
mit einer Mehrzahl von Schneiden ausgebildet sein, die von der Achse
des Meißels
weg nach außen
zur Dickenbestimmungsregion hin verlaufen, wobei die Fluidkanäle zwischen
den Schneiden definiert werden.
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Jede
intern durch den Meißelkörper gehende umschlossene
Passage verläuft
vorzugsweise allgemein parallel zur Längsachse des Bohrmeißels, und der
Auslass von der umschlossenen Passage steht beim Gebrauch mit dem
Annulus zwischen dem Bohrstrang und der Wand des gebohrten Bohrlochs in
Verbindung.
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Die
Dickenbestimmungsregion kann eine abgefaste Umfangskante fern von
der Frontfläche
des Meißelkörpers haben.
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Die
Lagerfläche,
die in einem Abschnitt der Dickenbestimmungsregion radial auswärts von
der Öffnung
angeordnet ist, kann frei von den Formationsangriffselementen sein.
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Es
folgt eine beispielhafte, ausführlichere Beschreibung
von Ausgestaltungen der Erfindung, in der auf die Begleitzeichnungen
Bezug genommen wird. Dabei zeigt:
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1 eine
Perspektivansicht einer Ausgestaltung eines Bohrmeißels des
Standes der Technik, wie er in der
EP
0707132 beschrieben ist;
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2 eine
Endansicht des in 1 gezeigten Bohrmeißels;
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3 einen
Seitenriss des Bohrmeißels;
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4 eine ähnliche
Ansicht wie 2, die schematisch den Hydraulikfluss über die
Oberfläche des
Bohrmeißels
zeigt;
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5 eine
Ansicht, ähnlich
wie
2, einer alternativen Form eines Bohrmeißels des
Standes der Technik, der in der
EP
0707132 beschrieben ist;
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6 eine
Perspektivansicht eines Drehbohrmeißels, nicht gemäß der Erfindung;
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7 eine
Endansicht des Bohrmeißels
wie in 6 gezeigt;
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8 einen
Seitenriss des Bohrers 6;
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9 eine
Endansicht eines anderen, nicht erfindungsgemäßen Bohrmeißels;
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10 einen
Seitenriss eines anderen, nicht erfindungsgemäßen Bohrmeißels;
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11 eine
Perspektivansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Bohrmeißels; und
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12 eine
Endansicht des in 11 gezeigten Bohrmeißels.
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Nun
mit Bezug auf die Zeichnungen und zunächst auf die 1–4,
der Bohrmeißel
des Standes der Technik beinhaltet einen Meißelkörper 10 und neun Schneiden 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 und 28,
die auf der Frontfläche
des Meißels
ausgebildet sind und von der Achse des Meißelkörpers 10 nach außen zu einer
Dickenbestimmungsregion 29 hin verlaufen. Zwischen benachbarten
Schneiden sind Kanäle 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44 und 46 definiert.
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An
den einzelnen Schneiden entlang verläuft Seite an Seite eine Mehrzahl
von Schneidelementen oder -strukturen 48. Die Schneidstrukturen 48 sind von
einem beliebigen geeigneten Typ. Sie können z.B. wie gezeigt kreisförmige vorgeformte
Schneidelemente sein, die auf zylindrische Träger hartgelötet wurden, die in den Schneiden
eingebettet oder auf andere Weise darin montiert sind. Die Schneidelemente
können
jeweils ein vorgeformtes Hartmetallstück mit einer Frontschneidschicht
aus polykristallinem Diamant aufweisen, die auf ein Wolframcarbidsubstrat
gebondet ist, wobei das Hartmetallstück auf einen zylindrischen
Wolframcarbidträger
hartgelötet ist.
In einer anderen Form kann die Schneidstruktur 48 das Substrat
des vorgeformten Hartmetallstücks mit
einer ausreichenden axialen Länge
aufweisen, um direkt in der Schneide montiert zu werden, so dass
der zusätzliche
Träger
wegfallen kann. Zusatzscheuerelemente oder Cutter 49 können hinter
einigen der Schneidstrukturen wie gezeigt beabstandet sein.
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Innere
Düsen 50, 52 und 54 sind
in der Oberfläche
des Meißelkörpers 10 montiert
und befinden sich recht nahe an der mittleren Drehachse des Meißels. Jede
innere Düse 50, 52 und 54 ist
so positioniert, dass sie Bohrfluid zu zwei oder mehr Kanälen führen kann.
Zusätzlich
befinden sich periphere Düsen 56, 58 und 60 jeweils
in den Kanälen 34, 40 bzw. 44 und
sind so ausgerichtet, dass Bohrfluid nach innen durch ihre jeweiligen
Kanäle
in Richtung auf die Mitte des Bohrmeißels geleitet wird. Alle Düsen stehen
mit einer mittleren axialen Passage (nicht dargestellt) im Schaft
des Meißels
in Verbindung, dem Bohrfluid unter Druck nach unten durch den Bohrstrang
auf bekannte Weise zugeführt
wird.
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Die äußeren Enden
der Schneiden 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 und 28 sind
mit axial verlaufenden Kickern 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 bzw. 78 ausgebildet,
die teilzylindrische Lagerflächen 79 haben,
die beim Gebrauch an der umgebenden Wand des Bohrlochs anliegen
und den Meißel
im Bohrloch stabilisieren. Abriebbeständige Lagerelemente 81, jeweils
von einer geeigneten bekannten Form, können in den Lagerflächen 79 eingebettet
sein.
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Jeder
der Kanäle 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44 und 46 führt zu einem
jeweiligen Brockenschlitz 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92 und 94.
Die Brockenschlitze verlaufen zwischen den Kickern nach oben allgemein parallel
zur longitudinalen mittleren Achse des Bohrmeißels, so dass Bohrfluid, das
durch jeden Kanal nach außen
in den zugehörigen
Brockenschlitz fließt, nach
oben zwischen dem Meißelkörper und
der Umgebungsformation in den Annulus zwischen dem Bohrstrang und
der Wand des Bohrlochs fließt.
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Der
Kanal 30 zwischen den Schneiden 12 und 14 führt jedoch
nicht zu einem herkömmlichen Brockenschlitz,
sondern geht weiter bis hinauf zur Dickenbestimmungsregion 79 des
Bohrmeißels.
Im Kanal 30 ist neben der Dickenbestimmungsregion 79 eine
kreisförmige Öffnung 96 in
eine umschlossene zylindrische Passage 98 ausgebildet,
die durch den Meißelkörper 10 zu
einem Auslass 100 (siehe 3) verläuft, der
mit dem Annulus in Verbindung steht. Die Kicker 78 und 62 an
den äußeren Enden
der Schneiden 12 und 14 sind durch ein Zwischenlagerelement 101 verbunden,
das eine Lagerfläche 102 aufweist,
die über
die Breite des Kanals 30 verläuft, um mit den Kickern 78 und 62 eine
große,
kontinuierliche, teilzylindrische Lagerfläche 104 zu bilden.
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Wie
am besten in 1 zu sehen ist, ist eine zylindrische
Fassung 106 in der Seitenwand der Passage 98 ausgebildet
und bildet einen Winkel zur Längsachse
der Passage 98. Eine Düse 108 ist
in der Fassung 106 montiert und so abgewinkelt, dass sie Bohrfluid
durch die Passage 98 zur Öffnung 96 leitet, so
dass das Bohrfluid aus der Öffnung 96 austritt
und durch den Kanal 30 nach innen fließt.
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So
wird im Falle des Kanals 30 der herkömmliche Brockenschlitz durch
die umschlossene Passage 98 ersetzt, die intern durch den
Meißelkörper 10 passiert.
Dies ermöglicht
die Bereitstellung einer peripher erweiterten Lagerfläche 104 am
benachbarten Teil der Dickenbestimmungsregion 29. Diese vergrößerte Lagerfläche 104 kann
die Stabilität
des Bohrmeißels
im Bohrloch verbessern.
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4 zeigt
schematisch ein typisches Strömungsmuster
von Bohrfluid über
die Fläche
des Meißels.
Man sieht, dass das Bohrfluid nach innen, wie durch die Pfeile angedeutet,
von den peripheren Düsen 108, 56, 58 und 60 in
Richtung auf die Mitte des Meißels
und dann über
die Fläche
des Meißels
fließt, um
dann durch die anderen Kanäle
nach außen
zu fließen.
Der Auswärtsfluss
wird durch den Fluss von den inneren Düsen 50, 52 und 54 verstärkt.
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Es
sind jedoch auch andere Strömungsmuster
möglich
und können
durch eine entsprechende Positionierung und Ausrichtung der Düsen erzielt werden.
So kann beispielsweise die Düse 108 in
der Passage 98 so ausgerichtet werden, dass sie einen Fluss
von Bohrfluid nach oben durch die Passage 98 zum Auslass 100 hin
leitet, und in diesem Fall erfolgt der Fluss durch den Kanal 30 in
einer Auswärtsrichtung
zur Öffnung 96 hin.
Alternativ kann die Düse 108 ganz
wegfallen, und in diesem Fall fließt Bohrfluid ebenfalls auswärts durch
den Kanal 30, wobei ein solcher Fluss beispielsweise von
den Düsen 50 und 56 abgeleitet
wird.
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5 zeigt
eine alternative Anordnung des Standes der Technik, bei der die Öffnung 110 in
die Passage 112 unregelmäßig geformt ist, so dass sie über fast
den gesamten Bereich des Kanals 30 zwischen den Schneiden 12 und 14 verläuft. In
diesem Fall ist keine Düse
in der Passage 112 vorgesehen und der Fluss von Bohrfluid
durch den Kanal und durch die Passage 112 wird von der
peripheren Düse 56 abgeleitet,
wie durch die Pfeile in 5 angedeutet wird.
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Eine
Form von Bohrmeißel
nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in den 6–8 illustriert. Ähnlich wie
der in den 1–5 illustrierte Bohrmeißel beinhaltet
der Bohrmeißel
einen Meißelkörper 120 und
acht Schneiden 122, die auf der Frontfläche des Meißels ausgebildet sind und von
der Achse des Meißelkörpers auswärts zur
Dickenbestimmungsregion hin verlaufen. Zwischen benachbarten Schneiden 122 sind
Kanäle 124 definiert.
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An
den einzelnen Schneiden 122 entlang verläuft Seite
an Seite eine Mehrzahl von Schneidstrukturen 126. Jede
Schneidstruktur 126 beinhaltet ein vorgeformtes Schneidelement,
das auf einen zylindrischen Träger
hartgelötet
ist, der in einer der Schneiden 122 eingebettet oder auf
andere Weise darin montiert ist. Jedes Schneidelement kann ein vorgeformtes
Hartmetallstück
mit einem Frontschneidelement aus polykristallinem Diamant aufweisen, das,
beispielsweise durch Hartverlöten,
auf ein Wolframcarbidsubstrat gebondet ist. Alternativ kann das Substrat
des vorgeformten Hartmetallstücks
eine ausreichende axiale Länge
haben, um direkt in der Schneide montiert zu werden, so dass der
zusätzliche
Träger
wegfallen kann. Die Schneidelemente werden mit einem hohen Spitzenspanwinkel
von 25 auf der Nase des Bohrmeißels
eingestellt, der auf 40 auf der Schulter neben der Dickenbestimmungssektion
ansteigt, um das Gegendrehmoment zu reduzieren.
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Die
Außenregion
des Bohrmeißels
hat auch einen erhöhten
Schutz, der durch die Addition von Zusatzcuttern 130 oder
Abriebelementen 132 bereitgestellt wird, die hinter den äußeren drei
oder vier Cuttern auf jeder Schneide angeordnet sind. Die Zusatzcutter 130 können dieselbe
Exposition haben wie die Primärcutter 126,
d.h. sie können
um dieselbe Distanz von der Oberfläche der Schneide vorstehen, auf
der sie montiert sind. Alternativ können sie eine höhere oder
niedrigere Exposition besitzen. Ebenso kann der Spitzenspanwinkel
der Zusatzcutter 130 derselbe sein wie bei den Primärcuttern 126,
oder der Spitzenspanwinkel kann größer oder kleiner sein.
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Der
Ort der Zusatzcutter 130 kann variieren. So kann sich beispielsweise
jeder Zusatzcutter 130 in derselben radialen Position befinden
wie der entsprechende Primärcutter 126,
so dass er derselben Rille im Formationsschnitt mit seinem zugehörigen Primärcutter 126 folgt.
Alternativ können
sich die Zusatzcutter 130 an radialen Positionen befinden,
die sich zwischen den radialen Positionen der assoziierten Primärcutter
befinden, so dass jeder Zusatzcutter 130 den aufrecht stehenden
Schram von der Formation entfernt, der zwischen den beiden Rillen
zurückgelassen
wird, die durch benachbarte Primärcutter geschnitten
wurden, und erzeugt so eine glattere Oberfläche im Bohrloch. Ferner kann
sich jeder Zusatzcutter 130 auf derselben Schneide befinden
wie sein zugehöriger
Primärcutter 126,
oder er kann sich auf einer anderen Schneide befinden.
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Die
Dickenbestimmungsregion 128 des Meißelkörpers weist eine kontinuierliche
Lagerfläche 134 auf,
die um die gesamte Dickenbestimmungsregion herum verläuft. Dickenbestimmungsschutz
ist durch Inserts 136 gegeben, die ein Gemisch aus Stücken aus
polykristallinem Diamant und Diamant-Inserts sein können. Alternativ
können
die Inserts aus Wolframcarbid bestehen.
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Wie
aus den 6 und 8 ersichtlich
ist, können
sich die Dickenbestimmungsinserts 136 auf denjenigen Teilen
der Lagerfläche 134 befinden,
die an den äußeren Enden
der Schneiden 122 liegen, d.h. in Bereichen, in denen die
Dickenbestimmungsregion 29 vollständig vom Meißelkörper 10 radial
einwärts
von der Dickenbestimmungsregion 29 getragen werden. Die
Dickenbestimmungsinserts 136 wirken aggressiver auf die
Formation ein als die Zwischenabschnitte der Lagerfläche 134,
wo keine Inserts vorgesehen sind. Diese größeren Kräfte lassen sich aufgrund der
vollen Abstützung
der Inserts 136 durch den Meißelkörper 10 leichter aufnehmen
als bei den relativ unabgestützten
Abschnitten der Lagerfläche 134 neben
den Öffnungen 140.
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Innere
Düsen 138 sind
in der Oberfläche
des Meißelkörpers montiert
und liegen recht nahe an der mittleren Rotationsachse des Meißels. Die
inneren Düsen 138 sind
so positioniert, dass die mittlere Region des Meißels effizient
gereinigt wird, und sie werden auch so gerichtet, dass sie Bohrfluid
entlang einem Kanal 124 auf der Frontseite von einer der
vier längeren
Schneiden 122 am Meißelkörper zuführen, um
die an dieser Schneide montierten Schneidelemente 126 zu
reinigen und zu kühlen.
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Die
Kanäle 124 zwischen
den Schneiden 122 führen
nicht zu herkömmlichen
Brockenschlitzen, die nach oben durch die Dickenbestimmungsregion 128 verlaufen.
Stattdessen gehen die Kanäle 124 weiter
nach oben bis zur kontinuierlichen Lagerfläche 134 der Dickenbestimmungsregion 128.
Eine geformte Öffnung 140 ist
in jedem Kanal 124 neben der Dickenbestimmungsregion 128 ausgebildet.
Die Öffnung 140 führt zu einer
umschlossenen Passage 142, die durch den Meißelkörper 120 zu
einem Auslass 144 verläuft,
wie in 8 illustriert ist. Die Passage 142 steht
beim Gebrauch mit dem Annulus zwischen dem Bohrstrang und der Umgebungsformation in
Verbindung, die die Wände
des Bohrlochs bildet.
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Wie
am besten in den 7 und 8 zu sehen
ist, befinden sich äußere Düsen 146 in
denjenigen Passagen 142, die auf den Frontseiten der kürzeren Schneiden 122 angeordnet
sind. Diese vier äußeren Düsen 146 werden
zur Außenschulter
des Bohrmeißels
gerichtet, wo ein höherer
Anteil an Hydraulikenergie benötigt
wird, um die höhere
Cutterzahl in dieser Region zu reinigen, die durch die Zusatzcutter 130 gegeben
ist. Der Fluidstrom von den inneren Düsen 138 erzeugt ein
solches Druckdifferential, dass Fluid von den äußeren Düsen 146 auch nach
innen in Richtung auf die inneren Düsen 138 über die
inneren Cutter an den kürzeren
Schneiden fließt,
bevor es wieder mit dem Auswärtsfluss
von den inneren Cuttern 138 nach außen fließt. Der Fluss von den inneren
Düsen 138 und
den äußeren Düsen 146 geht
zum Annulus durch die Öffnungen 140 und die
Passagen 142 durch den Meißelkörper. Alle Düsen 138 und 146 stehen
mit einer mittleren axialen Passage (nicht dargestellt) im Schaft
des Meißels
in Verbindung, dem Bohrfluid auf bekannte Weise unter Druck nach
unten durch den Bohrstrang zugeführt wird.
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Die
Bereitstellung einer kontinuierlichen Lagerfläche 134 um die gesamte
Dickenbestimmungsregion des Bohrmeißels erhöht die Stabilität des Meißels beim
Betrieb erheblich. Dadurch wird die Vibrationsanfälligkeit
der Meißel
aufgrund der Abwesenheit von Kanten, Schneidelementen und anderen Vorsprüngen in
der Dickenbestimmungsregion reduziert, die sonst auf die Umgebungsformation
einwirken und Vibrationen verursachen und, unter bestimmten Umständen, „Meißelwirbelungen" einleiten könnten.
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Ferner
erlaubt die Bereitstellung einer kontinuierlichen Lagerfläche um die
gesamte Peripherie des Bohrmeißels
eine Reduzierung der axialen Länge
der Dickenbestimmungssektion, während
ein geeigneter Gesamtbereich der Lagerfläche erhalten bleibt. Wie aus 8 sichtbar
ist, ist die Länge
der Dickenbestimmungsregion des Bohrmeißels erheblich geringer, als
dies normalerweise bei einem herkömmlichen PDC-Bohrmeißel der
Fall wäre.
So wird ein herkömmlicher
12,25 Zoll Bohrmeißel
gewöhnlich eine
axiale Länge
der Dickenbestimmungssektion von 3 bis 4 Zoll und gewöhnlich eine
Gesamtlänge von
12 bis 16 Zoll haben. Im Gegensatz dazu kann ein 12 Zoll Bohrmeißel der
in den 6–8 gezeigten
Art eine axiale Länge
der Dickenbestimmungssektion von nur 2 Zoll und eine Gesamtmeißellänge von
nur 9 Zoll haben, so dass nicht nur die axiale Länge der Dickenbestimmungssektion,
sondern auch die Distanz vom Motor zum Meißel, in einem lenkbaren motorgetriebenen
System, reduziert wird, und dadurch wird die Richtungsansprechung
des Bohrmeißels
beim Lenken verbessert.
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Die
Passage 98 wird zwar als eine zylindrische Passage parallel
zur Längsachse
des Bohrmeißels
beschrieben, aber es sind auch andere Anordnungen möglich. So
kann die Passage beispielsweise in der Querschnittsform und/oder
im Hinblick auf den Durchmesser über
ihre Länge
variieren. Es können
zwei oder mehr Öffnungen
im Kanal vorgesehen werden, wobei die Öffnungen zu separaten Passagen
durch den Meißelkörper führen, oder
zwei oder mehr Öffnungen
können
in eine einzige Passage führen.
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In
der in den 6–8 gezeigten
Anordnung, in der der Meißel
mit acht Schneiden versehen ist, ist eine einzige Öffnung 140 in
jedem Kanal 124 vorgesehen. Beim Bohren einiger Formationstypen, besonders
weicherer Formationen, wird jedoch möglicherweise bevorzugt, einen
leichteren Bohrmeißel mit
weniger Schneiden und Cuttern zu benutzen, da dadurch das Problem
der Meißelverschmierung
reduziert werden kann. 9 zeigt einen solchen leichteren,
nicht erfindungsgemäßen Bohrmeißel, bei dem
nur vier Schneiden 148 vorgesehen sind, getrennt durch
Kanäle 150,
die einen Winkelabstand von fast 90° haben.
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Bei
einer solchen Konstruktion kann die Bereitstellung einer einzigen
großen Öffnung und
Passage im Meißelkörper, um
Bohrfluid von jedem Kanal 150 an der kontinuierlichen Dickenmesssektion 152 vorbei
zum Annulus zu führen,
zu einer erheblichen strukturellen Schwächung des Bohrmeißels und
insbesondere der Dickenbestimmungssektion führen. Gemäß der in 9 gezeigten
Anordnung ist daher jeder Kanal mit zwei Öffnungen 154 und 156 ausgebildet,
die mit separaten Passagen in Verbindung stehen, die durch den Meißelkörper zum
Annulus führen.
Die größere der
beiden Öffnungen 154 ist
neben der Dickenbestimmungssektion 152 und auf der Frontseite
einer jeweiligen Schneide 148 angeordnet, und die kleinere Öffnung 156 ist
an der hinteren Seite der vorherigen Schneide angeordnet. In diesem
Fall leiten die inneren Düsen 158 Bohrfluid
nach außen
jeweils an den Vorderkanten der Schneiden 148 entlang.
Der Abschnitt 160 des Meißelkörpers zwischen jedem Paar Öffnungen 154, 156 kann
somit als eine Stützverstrebung
angesehen werden, die der Dickenbestimmungssektion 152 zwischen
den winkelmäßig weit
beabstandeten Schneiden 148 radiale Festigkeit verleiht.
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10 illustriert
einen weiteren nicht erfindungsgemäßen Bohrmeißel. Dieser Bohrmeißel beinhaltet
einen Meißelkörper 162.
Es sind acht Schneiden 164 auf der Frontfläche des
Meißels
ausgebildet. Diese Schneiden 164 verlaufen von der Mittelachse des
Meißelkörpers 162 allgemein
nach außen
in Richtung auf eine Dickenbestimmungsregion 165 und definieren
somit Kanäle 166 dazwischen.
Eine Mehrzahl von Schneidstrukturen 168, die den oben in Bezug
auf vorherige Ausgestaltungen beschriebenen Schneidstrukturen ähnlich sein
können,
verlaufen Seite an Seite an den einzelnen Schneiden 164 entlang.
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Die
Dickenbestimmungsregion 165 des Meißelkörpers 162 beinhaltet
auch eine kontinuierliche Lagerfläche, die kontinuierlich um
die gesamte Dickenbestimmungsregion 165 herum verläuft. Ähnlich wie
bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen können innere Düsen (nicht
dargestellt) in der Oberfläche
des Meißelkörpers, z.B.
nahe an der mittleren Rotationsachse, zum Zuführen von Bohrfluid durch die
Kanäle 166 montiert
werden. Eine Öffnung
(nicht dargestellt), ähnlich
den zuvor beschriebenen Öffnungen,
kann in jedem Kanal 166 neben der Dickenbestimmungsregion 165 ausgebildet
sein. Jede Öffnung
führt zu
einer internen Passage, die durch den Meißelkörper 162 zu einem
Auslass 172 verläuft.
Der Auslass 172 steht vorteilhafterweise mit dem Annulus
zwischen dem Bohrstrang und der Umgebungsformation des Bohrlochs
in Verbindung, wenn der Bohrmeißel
im Gebrauch ist.
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Der
Bohrmeißel
von 10 kann auch einen zurückgesetzten Abschnitt 174 des
Bohrmeißels 162 aufweisen.
Wie illustriert, beinhaltet der zurückgesetzte Abschnitt 174 vier
Brockenschlitze 176, die gleichmäßig um den Umfang des zurückgesetzten Abschnitts 174 herum
beabstandet sind. Jeder Brockenschlitz 176 kann wie eine
Aussparung mit flachem Boden gesehen werden, die in die zylindrische Außenfläche des
Abschnitts 174 geschnitten ist. Die Brockenschlitze 176 erleichtern
das Befestigen/Lösen
des Bohrmeißels
beim Anbringen/Entfernen des konischen Gewindebolzens 178 an/von
einem Innengewindeflansch (nicht dargestellt) am unteren Ende eines
Bohrstrangs. Ferner fluchten die Brockenschlitze 176 vorteilhafterweise
mit einem oder mehreren Auslässen 172,
um den Fluss von Bohrfluid zu erleichtern, wenn dieses nach dem
Durchfließen
der Innenpassagen des Bohrmeißels
aus den Auslässen 176 austritt.
Diese Fluchtung erlaubt insbesondere eine Maximierung der Größe der Auslässe 172,
um ein höheres
Strömungspotential
zu erzielen.
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Ebenso
wird man in der Ausgestaltung von 10 feststellen,
dass Dickenbestimmungscutter 180 an der peripheren Lagerfläche 170 der
Dickenbestimmungsregion 165 angeordnet sind. Die Dickenbestimmungscutter 180 können in
Aussparungen 182 in der Lagerfläche 170 montiert werden,
so dass die Schneidkanten der Dickenbestimmungscutter 180 nur
eine kurze Distanz von der Lagerfläche 170 vorstehen.
In der illustrierten Ausgestaltung sind zwei Dickenbestimmungscutter 180 auf
jedem Abschnitt der Lagerfläche 170 vorgesehen,
der am äußeren Ende
einer Schneide 164 an der Frontfläche des Bohrmeißels liegt.
Anstatt der oder zusätzlich
zu den Dickenbestimmungscuttern 180 können Dickenbestimmungsvorsprunginserts
(nicht dargestellt), ähnlich
den oben erörterten
Inserts 136, in der Lagerfläche 170 angeordnet
werden.
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Da
die Lagerfläche 170 der
Dickenbestimmungsregion 165 kontinuierlich um die gesamte
Peripherie des Bohrmeißels
verläuft,
ist es möglich, dass
gelegentlich Schwierigkeiten beim Herausziehen des Bohrmeißels aus
dem Bohrloch auftreten. Demgemäß kann,
um ein Herausziehen des Bohrmeißels
zu erleichtern, eine Abfasung, wie z.B. eine kegelstumpfförmige periphere
Abfasung 184, in der Oberkante der Dickenbestimmungsregion 165 ausgebildet
werden. Zusätzlich
können
Rückräumcutter 186 in
einer peripher beabstandeten Beziehung am oberen Rand der Dickenbestimmungsregion 165 montiert
werden. Unter besonders schwierigen Bedingungen können die
Rückräumcutter 186 das
Entfernen des Bohrmeißels
aus dem Bohrloch erleichtern, indem sie die Wände des Bohrlochs aufweiten, während der
Drehbohrmeißel
herausgezogen wird. In diesem Fall erhöht die Kombination der Rückräumcutter 186 mit
der Abfasung 184 die Exposition der Cutter 186 und
erhöht
somit ihre Effizienz.
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Bisher
wurden Bohrmeißel
mit einer Passage offenbart, die nur in einem Kanal angeordnet ist, wobei
die Dickenbestimmungsregion eine Lagerfläche aufweist, die über das äußere Ende
dieses einen Kanals verläuft,
oder mit einer Passage, die in jedem Kanal angeordnet ist, in dem
eine Lagerfläche
kontinuierlich um die gesamte Peripherie des Meißels verläuft. Es sind jedoch auch viele
andere Anordnungen möglich.
Als ein Beispiel illustrieren die 11 und 12 einen
Bohrmeißel
mit einer Passage, die in einer ersten Mehrzahl von Kanälen angeordnet
ist, die mit einem Lagerelement in der Dickenbestimmungsregion endet,
wobei eine zweite Mehrzahl von Kanälen zu einem herkömmlichen
Brockenschlitz führt.
Speziell, zu einer internen Passage und einem Lagerelement führende Kanäle wechseln
mit Kanälen
ab, die zu einem herkömmlichen
Brockenschlitz führen.
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Wie
in den 11 und 12 illustriert,
hat der Bohrmeißel
einen Meißelkörper 188.
Es sind acht Schneiden 189 auf der Frontfläche des
Meißels
angeordnet und verlaufen von der Achse des Meißels allgemein nach außen in Richtung
auf die Dickenbestimmungsregion 191. Die Schneiden 189 beinhalten vier
längere
Schneiden 190, die mit vier kürzeren Schneiden 192 abwechseln.
Eine Mehrzahl von Schneidstrukturen 194 verläuft Seite
an Seite an den einzelnen Schneiden 189 entlang. Zusatzcutter 196 können hinter
den Primärschneidstrukturen 194 auf den
kürzeren
Schneiden 192 vorgesehen werden, während Abriebelemente 198 hinter
den Primärschneidstrukturen 194 an
den längeren
Schneiden 190 angeordnet werden können.
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Ein
Kanal 200 ist zwischen der Vorderkante jeder längeren Schneide 190 und
der Hinterkante der vorherigen kürzeren
Schneide 192 definiert. Jeder Kanal 200 führt auswärts zu einem
Brockenschlitz 202, der durch die Dickenbestimmungsregion 191 nach
oben zu dem Annulus zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch verläuft. Ebenso
ist ein Kanal 204 zwischen der Vorderkante jeder kürzeren Schneide 192 und
der Hinterkante der vorherigen längeren
Schneide 190 definiert. In diesem Fall ist jedoch eine Öffnung 206 in
jedem Kanal 204 neben der Dickenbestimmungsregion 191 ausgebildet.
Jede Öffnung 206 führt zu einer
Passage 208, die intern durch den Meißelkörper 188 zu einem
Auslass passiert, der Fluid in den Annulus zwischen dem Bohrstrang
und dem umgebenden Bohrloch leitet. Ein Lagerelement 209 ist
auswärts
von jeder Öffnung 206 zwischen
den äußeren Enden
der jeweiligen benachbarten Schneiden 190 und 192 gebildet.
Jedes Lagerelement 209 beinhaltet eine im Wesentlichen
kontinuierliche periphere Lagerfläche 210 an der Dickenbestimmungsregion 191.
Die Lagerflächen 210 können auch
beliebige der zuvor mit Bezug auf die Lagerflächen der 1–10 beschriebenen
Merkmale beinhalten.
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Innere
Düsen 212 sind
in der Oberfläche
des Meißelkörpers 188 montiert
und liegen recht nahe an der mittleren Achse des Meißels. Die
inneren Düsen 212 sind
so positioniert, dass sie eine effiziente Reinigung in der mittleren
Region des Meißels
erzielen. Die inneren Düsen 212 können auch
so gerichtet werden, dass sie Bohrfluid nach außen durch jeden Kanal 200 entlang
der Vorderseite von einer der vier längeren Schneiden 190 zuführen, um
die an dieser Schneide montierten Schneidelemente 194 zu
reinigen und zu kühlen.
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Eine äußere Düse 214 ist
in einer Fassung in der Wand jeder internen Passage 208 montiert
und so gerichtet, dass sie die äußeren Cutter 194 an
der benachbarten kürzeren
Schneide 192 kühlen
und reinigen. Fluid von jeder äußeren Düse 214 fließt sowohl
aufwärts
durch die interne Passage 206 als auch einwärts in Richtung
auf die benachbarte innere Düse 212,
um die inneren Cutter an den kürzeren Schneiden 192 zu
kühlen
und zu reinigen. Dieses einwärts
gerichtete Fluid wird dann mit dem Fluid mitgeführt, das von der benachbarten
inneren Düse 212 nach
außen
fließt,
so dass es durch den nach hinten benachbarten Kanal 200 nach
außen
fließt,
der zu einem Brockenschlitz 202 führt. Der Fluss von Bohrfluid
ist durch Pfeile in 12 illustriert.
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Die
Bereitstellung von vier kontinuierlichen Strecken von peripheren
Lagerflächen 210 in
dieser Ausgestaltung erhöht
den Lagerflächenbereich
und bietet somit einige oder alle der oben erwähnten Vorteile. Gleichzeitig
kann durch die Bereitstellung der internen Passagen abwechselnd
mit Brockenschlitzen, in Kombination mit dem oben beschriebenen Fluidfluss,
die Beseitigung von Bohrklein von der Fläche des Meißels verbessert und die Gefahr
einer Verschmierung mit Bohrklein in den internen Kanälen 206 reduziert
werden.
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In
der in 11 und 12 gezeigten
Anordnung verlaufen die Brockenschlitze 202 im Wesentlichen
parallel zur Längsachse
des Meißelkörpers 188.
In einer alternativen Anordnung können die Brockenschlitze jedoch
schraubenförmig
in Bezug auf die Längsachse
verlaufen, so dass sich das obere Ende der Lagerfläche 210 auf
einer Seite des Brockenschlitzes 202 der Umfangsposition
des unteren Endes der Lagerfläche 210 auf
der anderen Seite des Brockenschlitzes nähert und sie überlappt.
Bei einer solchen Anordnung kann dann vorgesehen werden, dass ein
Abschnitt der Lagerfläche 210 um
im Wesentlichen die gesamten 360° der
Periphere der Dickenbestimmungsregion 191 verläuft.