DE69915009T2

DE69915009T2 - Drehbohr-Fräsmeissel

Info

Publication number: DE69915009T2
Application number: DE69915009T
Authority: DE
Inventors: Douglas Caraway; Robin Macmillan
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: DE69915009D1; EP1006257A2; EP1006257B1; EP1006257A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Rotary-Blattbohrmeißel zum Bohren in unterirdischen Formationen. Im einzelnen ist die Erfindung ein Rotary-Blattbohrmeißel mit abnutzbaren Blöcken, die aus einem imprägnierten Diamant-Matrizen-Material geformt werden.
BESCHREIBUNG DES TECHNISCHEN STANDS
Diamantimprägnierte Meißel können allgemein als die Art beschrieben werden, die einen Meißelkörper mit einer vorderen Fläche umfassen, die eine Vielzahl von Blöcken, getrennt durch Kanäle für Spülschlamm, umfaßt, wobei wenigstens einige der Blöcke jeweils eine abschleifende Oberfläche haben, die Teilchen aus einem superharten Material einschließt. Die Teilchen aus einem superharten Material können natürliche oder synthetische Diamanten oder kleine Körper aus polykristallinem Diamanten sein, die in die äußere Fläche eines Blocks eingesetzt werden, oder der Block kann eine äußere Schicht einschließen, die mit superharten Teilchen imprägniert wird, die wiederum natürliche oder synthetische Diamanten oder Teilchen aus polykristallinem Diamanten sein können. Es ist ebenfalls möglich, die zwei Anordnungen zu kombinieren. Solche Meißel sind besonders zum Bohren durch härtere unterirdische Formationen geeignet.
Bisher ist es die übliche Praxis gewesen, daß alle Teile der abschleifenden Oberfläche der Blöcke auf dem gleichen Profil liegen. Das heißt, an jeder Längsposition auf dem Meißel liegen alle Punkte auf den Oberflächen der Blöcke bei dem gleichen Radius im Verhältnis zur Längsmittelachse des Meißels. Dementsprechend wirken während des Bohrens alle abschleifenden Oberflächen des Meißels gleichzeitig auf die gerade gebohrte Formation.
Bei vielen Anwendungen wäre ein leichter besetzter Meißel (d. h., ein Meißel, der weniger über die Oberfläche des Meißels angeordnete superharte Teilchen hat) zu bevorzugen, wenn der obere Teil der Formation gebohrt wird, aber es wird tatsächlich ein schwerer besetzter Meißel verwendet, weil ein solcher Meißel erforderlich sein wird, um durch die härteren Formationen zu bohren, die tiefer im Bohrloch wahrscheinlich anzutreffen sind. Im Ergebnis der Tatsache, daß in den weichen Formationen nahe der Erdoberfläche ein schwer besetzter Meißel verwendet werden muß, kann die Bohrgeschwindigkeit (ROP – rate of penetration) niedriger sein, als sie durch die Verwendung eines leichter besetzten Meißels erreicht werden könnte.
EP 0 554 568 und EP 0 314 953 beschreiben einen Bohrmeißel mit Bereichen, auf denen eine Zahl von vorgeformten Schneidelementen angebracht wird.
Die vorliegende Erfindung nimmt sich daher vor, einen Rotary-Bohrmeißel der oben erwähnten Art bereitzustellen, bei dem der gleiche Meißel während des anfänglichen Bohrens als ein leichter besetzter Meißel wirken kann, aber als ein schwerer besetzter Meißel wirken kann, wenn das Bohren voranschreitet.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Rotary-Blattbohrmeißel bereitgestellt, der einen Meißelkörper mit einer Längsmittelachse, einer vorderen Fläche und einer Vielzahl von durchgehenden abnutzbaren Blöcken, getrennt durch eine Vielzahl von Strömungskanälen für einen Spülschlamm, umfaßt, wobei die durchgehenden abnutzbaren Blöcke mit Teilchen aus einem superharten Material imprägniert werden und eine abschleifende Oberfläche haben, wobei ein erster Satz der durchgehenden abnutzbaren Blöcke ein erstes äußeres Profil bildet, wobei das erste äußere Profil die vordere Fläche des Bohrmeißels bildet, ein zweiter Satz der durchgehenden abnutzbaren Blöcke ein zweites äußeres Profil bildet, getrennt von der vorderen Fläche des Meißels, wobei wenigstens ein Abschnitt des zweiten äußeren Profils im Verhältnis zum Meißelkörper längs der Längsmittelachse von der vorderen Fläche des Meißels nach innen angeordnet wird.
In dieser Beschreibung beziehen sich der Zweckmäßigkeit halber Begriffe wie beispielsweise „nach innen" und „nach außen" oder „innerer" oder „äußerer" auf Positionen im Verhältnis zu der Mitte des Meißelkörpers, d. h., einem Punkt, der auf der Rotationslängsmittelachse des Meißels liegt.
Mit dieser Anordnung wird während des anfänglichen Bohrens durch eine weichere Formation das meiste des Abtragens der Formation durch die äußersten der abschleifenden Blöcke bewirkt werden, und durch die weiter nach innen gelegenen Blöcke wird wenig oder nichts von der Formation abgetragen werden. Dementsprechend wird der Meißel als ein leicht besetzter Meißel wirken, und es können gute Bohrgeschwindigkeiten erreicht werden.
Wenn jedoch das Bohren voranschreitet und sich der Meißel abnutzt, was schneller geschehen kann, wenn der Meißel auf härtere Formationen trifft, werden sich die weiter nach außen angeordneten Blöcke mehr abnutzen als die nach innen angeordneten Blöcke, so daß die nach innen angeordneten Blöcke beginnen werden, mehr zur Schneidwirkung des Meißels beizutragen, so daß der Meißel praktisch schwerer besetzt wird. Wenn das Bohren bis zu einem Punkt voranschreitet, an dem sich alle Blöcke auf das gleiche Niveau abnutzen, dann wird der Meißel als ein herkömmlicher schwer besetzter Meißel wirken, bei dem alle abschleifenden Oberflächen auf dem gleichen Profil liegen.
Das Gesamtprofil eines Satzes von inneren Blöcken kann allgemein ähnlich dem Gesamtprofil eines Satzes von äußeren Blöcken sein, wobei die Profile einfach im Verhältnis zueinander versetzt, zum Beispiel in der Richtung der Längsachse des Bohrmeißels relativ versetzt, werden.
Die abschleifende Oberfläche jedes der Blöcke kann glatt und durchgehend gekrümmt werden, so daß das durch die Blockoberfläche definierte äußere Profil dem Umriß der Oberfläche selbst folgt. Als Alternative dazu kann die abschleifende Oberfläche eines Blocks höhere und niedrigere Bereiche umfassen, wobei in diesem Fall das äußere Profil durch die höheren Bereiche der Blockoberfläche definiert wird, wobei die niedrigeren Bereiche vom äußeren Profil nach innen liegen.
Vorzugsweise schließt der Bohrmeißel eine Vielzahl von Blöcken ein, die äußere Profile haben, die von den äußeren Profilen der anderen Blöcke nach innen oder nach außen angeordnet werden, so daß unter allen Bedingungen eine Vielzahl von Blöcken mit der Formation ineinandergreift. Zum Beispiel können einige Blöcke äußere Profile haben, die zusammen ein Bezugsprofil definieren, wobei der Meißel sowohl Blöcke mit äußeren Profilen einschließt, die vom Bezugsprofil nach innen liegen, als auch Blöcke mit äußeren Profilen, die vom Bezugsprofil nach außen liegen.
Die Blöcke können sich auf eine bekannte Weise von der Längsmittelachse des Meißels nach außen zum äußeren Umfang desselben hin erstrecken. In diesem Fall kann das äußere Profil jedes Blocks im Verhältnis zu dem Profil des Blocks an der im Verhältnis zur normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels vorderen und/oder hinteren Seite desselben nach innen oder nach außen versetzt werden. Jeder Block kann sich allgemein von der Längsmittelachse des Meißels in Radialrichtung nach außen erstrecken oder kann von einem Radius des Meißels nach vorn oder nach hinten versetzt werden, im Verhältnis zur Richtung der normalen Rotation des Meißels. Zum Beispiel kann sich jeder Block von der Achse weg in einer Spirale erstrecken.
Bei jeder der obigen Anordnungen befinden sich die äußeren Profile der Blöcke, auf dem äußeren Umfang des Meißels, vorzugsweise in gleichem Abstand von der Rotationslängsmittelachse des Meißels, so daß alle der Blöcke mit den Seitenwänden des Bohrlochs ineinandergreifen.
Bei jeder der obigen Anordnungen können die superharten Teilchen in die äußere Fläche eines Blocks eingesetzt werden, oder der Block kann eine äußere, mit superharten Teilchen imprägnierte, Schicht einschließen. Solche Anordnungen können dadurch kombiniert werden, daß einige Blöcke in ihre äußere Fläche eingesetzte Teilchen haben, während andere Blöcke eine mit superharten Teilchen imprägnierte äußere Schicht einschließen. Es sind ebenfalls Anordnungen möglich, bei denen der Block sowohl eine mit superharten Teilchen imprägnierte äußere Schicht als auch in die äußere Fläche der imprägnierten Schicht eingesetzte zusätzliche superharte Teilchen einschließt.
Die superharten Teilchen können natürliche Diamanten, synthetische Diamanten und Körper aus polykristallinem Diamantmaterial sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Wenn die Teilchen aus polykristallinem Diamanten sind, umfassen sie vorzugsweise thermisch stabiles polykristallines Diamantmaterial, sind aber nicht darauf beschränkt.
Der Meißelkörper oder wenigstens derjenige Teil desselben, der die Blöcke bildet, kann auf eine bekannte Weise aus einem stabilen infiltrierten Matrizenmaterial geformt werden.
Bei bekannten Bohrmeißeln der zuerst genannten Art ist es üblich, daß alle Teile der Oberfläche jedes Blocks auf dem Gesamtschneidprofil des Bohrmeißels liegen, so daß alle Teile der abschleifenden Oberfläche jedes Blocks mit der Formation ineinandergreifen. Während eine solche Anordnung beim Bohren einiger Formationsarten bevorzugt werden mag, können einige andere Formationsarten durch abschleifende Blöcke mit einer solchen Konfiguration nicht wirksam geschnitten werden.
Das oben beschriebene Merkmal, den Querschnitt der Blöcke zu formen, kann mit jedem der anderen zuvor genannten Merkmale der Erfindung kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine perspektivische Ansicht eines imprägnierten Bohrmeißels nach der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine schematische Stirnansicht der vorderen Fläche eines imprägnierten Bohrmeißels nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung der Schneidprofile von drei unterschiedlichen Arten eines abschleifenden Blocks an dem Bohrmeißel.
3 ist eine ähnliche Ansicht wie 2 von alternativen Profilformen.
4 ist eine weitere Ansicht, die alternative Profilformen zeigt.
5 ist ein Umfangsquerschnitt durch einen abschleifenden imprägnierten Block in einem imprägnierten Bohrmeißel nach dem bekannten technischen Stand.
6 bis 12 sind ähnliche schematische Querschnitte durch alternative Formen von abschleifenden Blöcken nach der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Wie es in 1A und 1B gezeigt wird, hat der Rotary-Blattbohrmeißel 6 der vorliegenden Erfindung eine Längsachse 9, einen Meißelkörper 8 mit einem ersten Ende 5, das dafür geeignet ist, an einem Bohrstrang (nicht gezeigt) befestigt zu werden. Typischerweise werden Gewindegänge 4 zum Befestigen am Bohrstrang verwendet, aber es können auch andere Befestigungsformen angewendet werden. Am zweiten, entgegengesetzten Ende 7 des Meißelkörpers 8 befindet sich die vordere Fläche 10 des Bohrmeißels 6. Die vordere Fläche 10 wird mit einer Vielzahl von abnutzbaren, nach außen vorstehenden Blöcken 11 geformt, die durch Strömungskanäle 12 für Spülschlamm getrennt werden, die zu Bohrkleinschlitzen 13 am äußeren Umfang des Meißels führen. Die Bohrkleinschlitze 13 verlaufen allgemein über den Kaliberabschnitt 14 des Bohrmeißels in Axialrichtung nach oben.
Während des Betriebs wird der Meißelkörper 8 durch ein äußeres Mittel gedreht, während der Bohrmeißel 6 in das gerade gebohrte Material gedrückt wird. Die Rotation unter Last bewirkt, daß die vordere Fläche 10 mit dem gebohrten Material ineinandergreift und das Material in einer schabenden und/oder ausmeißelnden Bewegung abträgt.
Der Meißelkörper 8 hat innere Durchgänge (nicht gezeigt), die ermöglichen, daß einer Vielzahl von Mündungen 3 von der Erdoberfläche Spülschlamm unter Druck zugeführt wird. Diese Mündungen 3 lassen den Spülschlamm ab, um die vordere Fläche 10 zu reinigen und zu kühlen, wenn sie das gerade gebohrte Material in Eingriff nimmt. Der Spülschlamm transportiert außerdem das gebohrte Material zur Entsorgung an die Erdoberfläche.
Eine äußere Oberflächenschicht jedes Blocks 11 wird auf eine bekannte Weise mit einer großen Zahl von abschleifenden Teilchen aus einem superharten Material (nicht gezeigt) imprägniert, die natürlicher oder synthetischer Diamant sein können. Zum Beispiel können die Diamantteilchen von einer Größe im Bereich von 2 bis 1000 Teilchen pro Karat sein. Die diamantimprägnierte Schicht kann zum Beispiel eine Dicke im Bereich von 3 bis 25 mm haben.
Auf eine bekannte Weise wird der Meißelkörper 8 unter Anwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens geformt, und die Diamantteilchen werden in die Oberfläche des Meißelkörpers imprägniert durch Aufbringen einer Schicht einer Wolframkarbidpaste oder von vorgeformten Teilen, in denen die Teilchen suspendiert werden, auf die Innenfläche der Form längs der Oberflächen, die den Stegen 11 entsprechen. Die Paste kann durch Mischen des Wolframkarbids, der Teilchen und anderer Materialien mit einem organischen Bindemittel oder einer anderen Form von Bindemittel hergestellt werden. Außerdem werden auf die Innenfläche der Form Streifen aus Ton oder einem anderen geeigneten Material aufgebracht, um die Wasserläufe 10 zu definieren. Danach wird die Form mit trockenem teilchenförmigen Wolframkarbid oder einem gleichwertigen Material gefüllt. Danach wird die Form in einen Ofen gebracht, wo eine geeignete Kupfer- oder andere Legierung nach unten durch die Karbidteilchen infiltriert wird, um so nach dem Abkühlen einen Körper aus einem massiven infiltrierten Matrizenmaterial in der Gestalt der Form zu bilden, der in seiner Außenfläche eingebettete Diamantteilchen hat. Dieses Verfahren der Konstruktion von imprägnierten Bohrmeißeln ist auf dem Gebiet gut bekannt und wird daher nicht detaillierter beschrieben.
Obwohl die Erfindung besonders auf imprägnierte Bohrmeißel anwendbar ist, kann sie ebenfalls auf Bohrmeißel anwendbar sein, bei denen größere natürliche oder synthetische Diamanten in die Außenfläche der Blöcke auf dem Meißelkörper eingesetzt werden.
Bei Meißeln der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, nach dem bekannten technischen Stand, liegen die äußeren Flächen aller abschleifenden Blöcke 11 auf dem gleichen gemeinsamen Gesamtschneidprofil des Bohrmeißels, so daß während des Bohrens alle Blöcke gleichzeitig auf die Formation wirken.
Nach der vorliegenden Erfindung haben jedoch einige der Blöcke 11 äußere Profile, die im Verhältnis zum Meißelkörper an unterschiedlichen Stellen liegen, und eine solche Anordnung wird schematisch in 2 gezeigt, wo die Referenz 9 die Rotationslängsmittelachse des Bohrmeißels anzeigt. Die im Verhältnis zum Meißelkörper äußersten der abschleifenden Blöcke 11 definieren eine vordere Fläche 17, 21, 22, 30 des Meißels 6, wenn er sich um seine Längsmittelachse 9 dreht.
Wie es aus 2 zu ersehen ist, hat ein Satz von vier der Blöcke 11, der in 1 und 2 bei C angezeigt wird, ein äußeres Schneidprofil 15. Ein Satz von zwei der Blöcke, der in 1 und 2 bei B angezeigt wird, hat ein äußeres Schneidprofil 16, das vom Schneidprofil 15 der Blöcke C nach außen angeordnet wird und vom Schneidprofil 15 der Blöcke C getrennt ist. Ein weiteres Paar von Blöcken, das in 1 und 2 bei A angezeigt wird, hat ein äußeres Schneidprofil 17, das von den beiden Schneidprofilen 15 und 16 nach außen angeordnet wird und von beiden getrennt ist. Das äußere Schneidprofil 17 der Blöcke 11 im Satz A bildet die vordere Fläche des Meißels.
Obwohl die Schneidprofile längs des größten Teils ihrer Länge mit Zwischenraum zueinander angeordnet werden, wird aus 2 zu ersehen sein, daß sie so zusammenlaufen, daß sie am äußeren Umfang des Bohrmeißels, wie es in 2 bei 18 angezeigt wird, den gleichen Durchmesser haben, aber nicht notwendigerweise auf der gleichen Höhe. Dies sichert, daß der Gesamtdurchmesser des gerade gebohrten Bohrlochs ungeachtet der unterschiedlichen Abnutzung der Blöcke konstant bleibt.
Es ist ein nützliches Merkmal der abschleifenden imprägnierten Blöcke 11, daß die Blöcke 11 abnutzbar sind. Wenn sich die Schneidfläche abnutzt, werden neue abschleifende Schneidelemente freigelegt. Das Ergebnis ist, daß die Schneidfläche, obwohl sie abgenutzt wird, weiter mit der gleichen Schneidgeschwindigkeit wie eine nicht abgenutzte Schneidfläche Formation abträgt.
Während des anfänglichen Bohrens wird das meiste des Formationsabtragens durch die zwei äußersten abschleifenden Blöcke bewirkt werden, die als A markiert werden, und daher kann in der weicheren Formation eine vergleichsweise hohe ROP erreicht werden, Wenn das Bohren weitergeht, beginnen sich die Blöcke A abzunutzen, während sie gleichermaßen wirksam beim Formationsabfragen bleiben wie, als sie neu waren, weil an der Oberfläche der Blöcke A fortlaufend neue abschleifende Teilchen freigelegt werden. Die Blöcke A haben einen wesentlich gleichbleibende abschleifende Oberfläche, wenn sie sich abnutzen.
Dieses Verhalten ist das Gegenteil von demjenigen von nicht imprägnierten diamanthaltigen Blattbohrmeißeln. Wenn sich die Schneidflächen von nicht imprägnierten diamanthaltigen Blattbohrmeißeln auch nur in einem verhältnismäßig geringen Maß abnutzen, verliert die freigelegte Oberfläche ihre Fähigkeit, wirksam Formation abzutragen, und wirkt mehr als ein Formationslagerelement denn als ein Formationsabtragungselement. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung würden diese als nicht abnutzbare Oberflächen betrachtet werden.
Wenn sich die Blöcke A abnutzen, kommen die nächstinneren Blöcke B zunehmend ins Spiel, um so die abschleifende Oberfläche zu steigern, die auf die Formation auf eine Weise wirkt, die angepaßter ist an härtere Formationen. Wenn sich die Abnutzung fortsetzt und sich die Blöcke A und B auf das Niveau der innersten Blöcke C abnutzen, werden alle Blöcke Formation abtragen, und der Meißel wird als ein schwer besetzter Meißel wirken, der zum Bohren der härteren Formationen geeignet ist, die wahrscheinlich in größerer Tiefe angetroffen werden. Während des Betriebs hat jeder Satz von Blöcken A, B, C jeweils eine wesentlich konstante abschleifende Oberfläche, während sie sich abnutzen. Jedoch nimmt die gesamte abschleifende Fläche des Meißels schrittweise zu, zuerst, wenn der Satz B der Blöcke, und später, wenn der Satz C der Blöcke beginnt, Formation abzutragen.
Es wird sich verstehen, daß jede Zahl von unterschiedlichen Sätzen von Blöcken, die Schneidprofile an unterschiedlichen Positionen haben, bereitgestellt werden kann, obwohl zwei bis fünf solcher Sätze bevorzugt werden. Die unterschiedlichen Schneidprofile können auf jede Weise zwischen den Blöcken auf dem Bohrmeißel verteilt werden, obwohl symmetrische Verteilungen bevorzugt werden, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt werden, um zu sichern, daß die Stabilität des Meißels aufrechterhalten bleibt, wenn er sich dreht, unabhängig davon, wie viele Blöcke tatsächlich gerade auf die Formation wirken. Für einige Anwendungen können asymmetrische Verteilungen verwendet werden. Obwohl in 1 eine Gesamtzahl von acht allgemein in Radialrichtung verlaufenden Blöcken gezeigt wird, wird es sich verstehen, daß jede Zahl und Konfiguration von Blöcken eingesetzt werden kann, die Blöcke zum Beispiel jede der beim bekannten technischen Stand verwendeten Konfigurationen haben können, aber mit dem Unterschied, daß sich nach der vorliegenden Erfindung die äußeren Profile unterschiedlicher Sätze von Blöcken auf unterschiedlichen Positionen im Verhältnis zum Meißelkörper befinden.
3 zeigt eine modifizierte Version der Anordnung von 2, bei der die Profile der drei Sätze von Blöcken, statt zum äußeren Umfang des Bohrmeißels allmählich zusammenzulaufen, abgestuft werden, wie es in 3 bei 19 angezeigt wird, wieder, um zu sichern, daß sich die Schneidprofile der Sätze von Blöcken am Umfang des Meißels im gleichen Abstand von der Längsmittelachse 9 befinden, wodurch gesichert wird, daß sich der Durchmesser des Bohrlochs mit der unterschiedlichen Abnutzung der Blöcke nicht bedeutend verändert.
Bei den Anordnungen von 2 und 3 werden die äußeren abschleifenden Oberflächen der Blöcke glatt gekrümmt, wenn sie sich von der Längsmittelachse des Meißels weg nach außen erstrecken, und demzufolge folgen die äußeren Schneidprofile der Blöcke den Oberflächenumrissen der Blöcke selbst und liegen eng an denselben.
Wie zuvor erwähnt, ist es jedoch möglich, daß die äußeren Flächen der Blöcke nicht glatt und durchgehend gekrümmt werden, sondern höhere und niedrigere Bereiche umfassen können, wobei das äußere Profil in diesem Fall durch die höheren Bereiche der Oberfläche definiert wird, wobei die niedrigeren Bereiche vom äußeren Profil nach innen liegen. Eine solche Anordnung wird schematisch in
4 gezeigt, wo die Blöcke C mit dem innersten Schneidprofil 20 ein Oberflächenprofil haben, das sich wellt, wenn es sich von der Längsmittelachse 9 des Bohrmeißels weg nach außen erstreckt. Das Schneidprofil 20 erstreckt sich folglich über die Spitzen der Wellen.
Die Zwischenblöcke B werden glatt und durchgehend gekrümmt, so daß ihr Schneidprofil der tatsächlichen Oberfläche der Blöcke folgt. Die Blöcke A mit dem äußersten Schneidprofil 21 haben längs ihrer Länge allgemein eine Sägezahnkonfiguration.
Der Betrieb des Bohrmeißels 8 von 2 und 3 wird durch ein Beispiel eines diamantimprägnierten Meißels des Typs 642 von 8 3/8 Zoll (213 mm), hergestellt durch Reed-Hycalog, gezeigt. Der Meißel 8 hat eine Gesamtzahl von fünfzehn Blöcken 11, angeordnet in einer Konfiguration ähnlich wie 2. Bei dem Meißel des Typs 642 gibt es fünf Blöcke im Satz A, fünf Blöcke im Satz B und fünf Blöcke 11 im Satz C. Die Blöcke 11 des Satzes A werden bei diesem Meißel um 2 mm von den Blöcken 11 des Satzes B nach außen angeordnet. Die Blöcke 11 des Satzes B werden bei diesem Meißel um 2 mm von den Blöcken 11 des Satzes C nach außen angeordnet. Dieser Meißel wird konstruiert, um in die Naricual-Formation, in Venezuela, einzufahren. In dieser Region dauerte es typischerweise etwa 150 bis 300 Stunden Bohrzeit, um die sehr harten und abschleifenden Formationen im Intervall von etwa 15000 Fuß (4572 Meter) Tiefe bis etwa 16500 Fuß (5029 Meter) Tiefe zu bohren. In vielen Fällen wurden mehrere Bohrmeißel erforderlich, um dieses Intervall zu bohren.
Ein Meißel von Typ 642 der vorliegenden Erfindung wird in diese Formation typischerweise bei 1200 U/min eingefahren, mit einem angewandten Bohrgewicht von 8000 Pfund (3629 kg). Der Meißel bohrt anfangs den oberen Teil dieser Formation nur mit den fünf Blöcken im Satz A. In diesem Betriebszustand kann der Meißel pro Meißelumdrehung etwa 0,05 mm der Formation bohren. Wenn der Meißel bohrt, nutzen sich die Blöcke 11 fortlaufend mit einer bekannten Geschwindigkeit ab.
Die Abnutzungsgeschwindigkeit des Meißels wird bestimmt durch die Größe und die Art des Diamantschleifmittels in der Matrize. Der Meißelkonstrukteur stellt diese ein, um zu bewirken, daß sich der Meißel auf eine bekannte Weise abnutzt. Oft sind diese Einstellungen so genau, daß in benachbarte Bohrlöcher eingefahrene Meißel unterschiedliche Diamantschleifmittelzusammensetzungen haben. Obwohl es keine Voraussetzung ist, haben bei diesem Beispiel alle Blöcke 11 der Matrize am Meißel die gleichen Diamantzusammensetzungen.
Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Diamantteilchen bei einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 mm verhältnismäßig grob, mit einer Konzentration von 50% bis 55%. Mit dieser Zusammensetzung nutzen sich die Blöcke A bei 500 Fuß (152 Meter) Bohren um etwa 2 mm ab. An diesem Punkt vereinigen sich die fünf Blöcke im Satz B mit den fünf Blöcken im Satz A zu einer Gesamtzahl von zehn Blöcken, die Formation abtragen. Mit 10 Blöcken in Kontakt bohrt der Meißel nun nur etwa 0,03 mm/Umdrehung. Nach weiteren etwa 500 Fuß (152 Meter) Bohren haben sich die Blöcke des Satzes A und des Satzes B um zusätzliche 2 mm abgenutzt, so daß sich nun alle 15 Blöcke der Sätze A, B und C vereinigen, um das Bohrloch bis zu seiner Zieltiefe zu bohren. Mit allen 15 Blöcken in Kontakt bohrt der Meißel nur etwa 0,01 mm/Umdrehung.
Es ist zu erwarten, daß ein einziger Meißel des Typs 642 des vorliegenden Beispiels dieses Intervall in 100 bis 150 Stunden bohrt. Die abnutzbaren Blöcke 11 ermöglichen, daß der Meißel im weniger harten oberen Abschnitt des Intervalls verhältnismäßig schnell bohrt. Wenn die Formation im mittleren und unteren Abschnitt zunehmend dichter, härter und abschleifender wird, kommen mehr von den Blöcken 11 in Kontakt mit der Formation, weil sich die Blöcke abnutzen. Es ist ein Kennzeichen des Meißels, daß die Bohrgeschwindigkeit sich nicht bedeutsam verändert, wenn sich die Sätze von Blöcken in Kontakt mit der Formation abnutzen. Statt dessen verändert sich die Bohrgeschwindigkeit nur, wenn die Abnutzung bewirkt, daß zusätzliche Blöcke die Formation berühren.
Bei einem zweiten Beispiel hat ein diamantimprägnierter Meißel des Typs 672 von 8 1/2 Zoll (216 mm), hergestellt durch Reed-Hycalog, eine Gesamtzahl von vierundzwanzig Blöcken 11, die in einer Konfiguration ähnlich wie 1 und 2 angeordnet werden. Bei dem Meißel des Typs 672 gibt es acht Blöcke im Satz A, acht Blöcke im Satz B und acht Blöcke 11 im Satz C. Die Blöcke 11 des Satzes A werden bei diesem Meißel um 1,0 mm von den Blöcken 11 des Satzes B nach außen angeordnet. Die Blöcke 11 des Satzes B werden bei diesem Meißel um 1,0 mm von den Blöcken 11 des Satzes C nach außen angeordnet. Dieser Meißel wird konstruiert, um in die Mirador-Formation, in Kolumbien, einzufahren. In dieser Region dauerte es typischerweise etwa 60 bis 100 Stunden Bohrzeit, um die sehr harten und abschleifenden Formationen im Intervall von etwa 16000 Fuß (4877 Meter) Tiefe bis etwa 16500 Fuß (5029 Meter) Tiefe zu bohren. In vielen Fällen wurden mehrere Bohrmeißel erforderlich, um dieses Intervall zu bohren.
Ein Meißel von Typ 679 der vorliegenden Erfindung wird in diese Formation typischerweise bei 600 U/min eingefahren, mit einem angewandten Bohrgewicht von 8000 Pfund (3629 kg). Der Meißel bohrt anfangs den oberen Teil dieser Formation nur mit den acht Blöcken im Satz A. In diesem Betriebszustand kann der Meißel pro Meißelumdrehung etwa 0,04 mm der Formation bohren. Wenn der Meißel bohrt, nutzen sich die Blöcke 11 fortlaufend mit einer bekannten Geschwindigkeit ab.
Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Diamantteilchen bei einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,4 mm verhältnismäßig grob, mit einer Konzentration von 50% bis 55%. Mit dieser Zusammensetzung nutzen sich die Blöcke A bei 100 Fuß (30 Meter) Bohren um etwa 1 mm ab. An diesem Punkt vereinigen sich die acht Blöcke im Satz B mit den acht Blöcken im Satz A zu einer Gesamtzahl von sechzehn Blöcken, die Formation abtragen. Mit sechzehn Blöcken in Kontakt bohrt der Meißel nun nur etwa 0,03 mm/Umdrehung. Nach weiteren etwa 200 Fuß (60 Meter) Bohren haben sich die Blöcke des Satzes A und des Satzes B um zusätzlich 1 mm abgenutzt, so daß sich nun alle vierundzwanzig Blöcke der Sätze A, B und C vereinigen, um das Bohrloch bis zu seiner Zieltiefe zu bohren. Mit allen vierundzwanzig Blöcken in Kontakt bohrt der Meißel nur etwa 0,01 mm/Umdrehung.
Es ist zu erwarten, daß ein einziger Meißel des Typs 679 des vorliegenden Beispiels dieses Intervall in 40 bis 80 Stunden bohrt. Die abnutzbaren Blöcke 11 ermöglichen, daß der Meißel im weniger harten oberen Abschnitt des Intervalls verhältnismäßig schnell bohrt. Wenn die Formation im mittleren und unteren Abschnitt zunehmend dichter, härter und abschleifender wird, kommen mehr von den Blöcken 11 in Kontakt mit der Formation, weil sich die Blöcke abnutzen. Wieder verändert sich die Bohrgeschwindigkeit nur, wenn die Abnutzung der Blöcke bewirkt, daß zusätzliche Blöcke die Formation berühren.
In 4 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. 4 zeigt nur schematisch das Prinzip, daß die tatsächlichen Oberflächen der Blöcke nicht glatt und durchgehend gekrümmt werden müssen.
5 zeigt schematisch einen Umfangsquerschnitt durch einen radialen Block eines herkömmlichen imprägnierten Bohrmeißels nach dem bekannten technischen Stand. Die Außenfläche des Blocks, welche die Formation abschleift, wird bei 22 angezeigt, und die Kanäle oder Wasserläufe längs jeder Seite des Blocks werden bei 23 angezeigt.
Wie es aus 5 zu ersehen ist, wird bei der herkömmlichen Anordnung nach dem bekannten technischen Stand das Umfangsprofil des Blocks mit dem gleichen Radius wie das Gesamtschneidprofil des Bohrmeißels als Ganzes, das bei 24 angezeigt wird, glatt gekrümmt. Demzufolge bedeutet dies, daß die Gesamtheit der äußeren abschleifenden Fläche des Blocks gleichzeitig auf die Formation wirkt.
Wie zuvor erwähnt, ist jedoch nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung entdeckt worden, daß imprägnierte Bohrmeißel durch ein Konfigurieren der Umfangsquerschnittsgestalt der Blöcke 11 derart, daß nicht die Gesamtheit des Blocks 11 zur gleichen Zeit auf die Formation wird, so hergestellt werden können, daß sie eine größere Vielfalt an unterschiedlichen Formationen wirksam schneiden. Typische Konfigurationen nach der Erfindung werden schematisch in 6 bis 12 gezeigt.
Bei der Anordnung von 6 wird die Außenfläche des Blocks 11 so gestaltet, daß sie zwei geneigte Flächen 25 bereitstellt, die im Verhältnis zur normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels während des Bohrens, wie sie durch den Pfeil 26 angezeigt wird, nach vorn bzw. nach hinten zeigen.
Bei der Anordnung von 7 wird die einzige Fläche 27 des Blocks 11 so geneigt, daß sie nach hinten zeigt, während in 8 die Fläche 28 des Blocks nach vorn zeigt.
In 6, 7 und 8 haben die abnutzbaren Blöcke 11 eine auf die Formation wirkende Fläche, welche die vordere Fläche des Meißels 6 bildet. Die anderen Flächen der Blöcke 11 werden im Verhältnis zum Meißelkörper längs der Längsmittelachse von der vorderen Fläche des Meißels 6 nach innen angeordnet.
In 9 wird die Außenfläche 29 des Blocks 11 im Querschnitt konvex gekrümmt, aber der Krümmungsradius des Blocks ist beträchtlich kleiner als der Krümmungsradius des Gesamtschneidprofils 30A des Bohrmeißels, so daß nicht die gesamte Oberfläche 29 gleichzeitig auf die Formation wirkt. Nur der durch die Zahl 44 angezeigte Abschnitt der Oberfläche wirkt anfangs auf die Formation. Im Betrieb nutzt sich die Oberfläche 29 bis zu einem neuen Schneidprofil 40A ab. Dies bewirkt, daß die anfängliche Oberfläche der abschleifenden Fläche 44 am Block 11 auf die durch 42A angezeigte zunimmt, wenn der Bohrer 6 bohrt.
Bei der Anordnung von 10 wird die äußere Fläche des Blocks 11 mit zwei in Längsrichtung konvex gekrümmten Rippen 31 geformt, die durch eine Nut 32 getrennt werden. Bei dieser Konfiguration wird der anfängliche Krümmungsradius des Gesamtschneidprofils als 30B angezeigt, und jede Rippe 31 wird nur eine begrenzte Oberfläche haben, die auf die Formation wirkt. Jedoch nutzen sich die Rippen 31 im Betrieb bis zu einem neuen Schneidprofil 40B ab. Dies bewirkt, daß die anfängliche Oberfläche der abschleifenden Fläche an jeder Rippe 31 des Blocks 11, wie es durch 42B angezeigt wird, zunimmt, wenn der Bohrer 6 bohrt.
In 11 werden drei allgemein dreieckige Rippen 33 am Block 11 durch dreieckige Nuten 34 getrennt. Bei dieser Konfiguration wird der anfängliche Krümmungsradius des Gesamtschneidprofils als 30C angezeigt, und jede Nut 34 wird nur eine begrenzte Oberfläche haben, die auf die Formation wirkt. Jedoch nutzen sich die Rippen 33 im Betrieb bis zu einem neuen Schneidprofil 40C ab. Dies bewirkt, daß die anfängliche Oberfläche der abschleifenden Fläche an jeder Rippe 33 des Blocks 11, wie es durch 42C angezeigt wird, zunimmt, wenn der Bohrer 6 bohrt.
Bei der Anordnung von 12 werden drei allgemein rechteckige Rippen 35 am Block durch rechteckige Nuten 36 getrennt. Bei dieser Konfiguration wird der anfängliche Krümmungsradius des Gesamtschneidprofils als 30D angezeigt, und jede Rippe 35 wird nur eine begrenzte Oberfläche haben, die auf die Formation wirkt. Jedoch nutzen sich die Rippen 35 im Betrieb bis zu einem neuen Schneidprofil 40D ab. Dies bewirkt ebenfalls, daß die anfängliche Oberfläche der abschleifenden Fläche an jeder Rippe 35 des Blocks 11 zunimmt, wenn der Bohrer 6 bohrt.
Bei allen Anordnungen von 6 bis 12 wird die wirksame Oberfläche der abnutzbaren Blöcke 11 zunehmen, wenn sich die Blöcke 11 abnutzen.
In 6 bis 8 bildet ein erster Oberflächenabschnitt der abnutzbaren Blöcke 11 das äußere Profil des Bohrers 6, und ein zweiter Abschnitt der Oberfläche der abnutzbaren Blöcke 11 wird längs der Längsmittelachse 9 im Verhältnis zum Meißelkörper von der vorderen Fläche des Meißels 6 nach innen angeordnet. Wenn sich die Blöcke 11 abnutzen, nimmt der längs der Längsmittelachse 9 im Verhältnis zum Meißelkörper von der vorderen Fläche des Meißels 6 nach innen angeordnete zweite Abschnitt der Fläche an Oberfläche zu. Das Ergebnis ist, daß die abnutzbaren Blöcke 11 wirksam schwerer besetzt werden, wenn die Abnutzung stattfindet, was aus vorher erläuterten Gründen wünschenswert ist.
In 9 bis 12 bilden die abnutzbaren Blöcke 11, bevor sie beginnen sich abzunutzen, ein erstes äußeres Profil 30A, 30B, 30C, 30D. Der Satz von abnutzbaren Blöcken 11, der das erste äußere Profil 30A, 30B, 30C, 30D bildet, verbindet sich, um eine erste auf die Formation wirkende Kontaktfläche zu bilden. Sobald der Meißel 6 für einen Zeitraum in Betrieb gewesen ist, werden die abnutzbaren Blöcke 11 ein sekundäres äußeres Profil 40A, 40B, 40C, 40D bilden. Der Satz von abnutzbaren Blöcken 11, der das sekundäre äußere Profil 40A, 40B, 40C, 40D bildet, verbindet sich, um eine zweite auf die Formation wirkende Kontaktfläche zu bilden, der größer ist als die erste Kontaktfläche. Das Ergebnis ist, daß die abnutzbaren Blöcke 11 wirksam schwerer besetzt werden, wenn die Abnutzung stattfindet, was aus vorher erläuterten Gründen wünschenswert ist.
Während die vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die hieran angefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, sollte es sich von selbst verstehen, daß innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert wird, andere und weitere Modifikationen, neben den hierin gezeigten und vorgeschlagenen, vorgenommen werden können.

Claims

Rotary-Blattbohrmeißel, der einen Meißelkörper (8) mit einer Längsmittelachse (9), einer vorderen Fläche (10) und einer Vielzahl von durchgehenden abnutzbaren Blöcken (11), getrennt durch eine Vielzahl von Strömungskanälen (12) für einen Spülschlamm, umfaßt, wobei die durchgehenden abnutzbaren Blöcke (11) mit Teilchen aus einem superharten Material imprägniert werden und eine abschleifende Oberfläche haben, wobei ein erster Satz (A) der durchgehenden abnutzbaren Blöcke (11) ein erstes äußeres Profil (17) bildet, wobei das erste äußere Profil (17) die vordere Fläche (10) des Bohrmeißels bildet, ein zweiter Satz (C) der durchgehenden abnutzbaren Blöcke (11) ein zweites äußeres Profil (15) bildet, getrennt von der vorderen Fläche des Meißels, wobei wenigstens ein Abschnitt des zweiten äußeren Profils (15) im Verhältnis zum Meißelkörper (8) längs der Längsmittelachse (9) von der vorderen Fläche des Meißels nach innen angeordnet wird.
Rotary-Blattbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem das superharte Material Diamant ist.
Rotary-Blattbohrmeißel nach Anspruch 2, bei dem der Diamant natürlichen Diamanten mit einer Größe von etwa 2 bis 1000 Diamanten pro Karat umfaßt.
Rotary-Blattbohrmeißel nach Anspruch 2, bei dem der Diamant polykristallinen Diamanten umfaßt.
Rotary-Blattbohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein dritter Satz (B) der abnutzbaren Blöcke (11) ein drittes äußeres Profil (16) zwischen dem zweiten äußeren Profil (15) und der vorderen Fläche (10) des Meißels bildet.
Rotary-Blattbohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite äußere Profil (15) um wenigstens etwa 2 mm von der vorderen Fläche (10) des Meißels versetzt wird.
Rotary-Blattbohrmeißel nach Anspruch 5, bei dem das dritte äußere Profil (16) um wenigstens etwa 1 mm vom zweiten äußeren Profil (15) versetzt wird.
Rotary-Blattbohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite äußere Profil (15) und die vordere Fläche (10) des Meißels an einem äußeren Umfang des Meißels zusammenlaufen.
Rotary-Blattbohrmeißel nach Anspruch 8, bei dem ein dritter Satz der abnutzbaren Blöcke (11) ein drittes äußeres Profil zwischen dem zweiten äußeren Profil und der vorderen Fläche des Meißels bildet, wobei das dritte äußere Profil, das zweite äußere Profil und die vordere Fläche des Meißels alle am äußeren Umfang des Meißels zusammenlaufen.