DE69923116T2

DE69923116T2 - Method for determining properties of a milling drill bit

Info

Publication number: DE69923116T2
Application number: DE69923116T
Authority: DE
Inventors: David John Cheltenham Jelley; Nigel Shaun Downend Wilcox
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: DE69923116D1

Description

Die Erfindung betrifft Rotary-Blattbohrmeißel zur Verwendung beim Bohren von Löchern in unterirdischen Formationen und von der Art, bei der an einem Meißelkörper mit einer Drehachse eine Vielzahl von Schneiden angebracht ist. Eine häufige Meißelform hat einen Schaft zum Verbinden mit einem Bohrstrang, eine Vielzahl von umlaufend mit Zwischenraum auf dem Meißelkörper angeordneten Blättern, die sich von der mittleren Drehachse des Meißels nach außen erstrecken, und eine Vielzahl von längs jedes Blatts angebrachten Schneiden. Ein Durchgang im Meißelkörper führt Düsen in der Oberfläche des Meißels Spülschlamm zum Reinigen und Kühlen der Schneiden zu.The This invention relates to rotary blade bits for use in drilling of holes in subterranean formations and by the way in which one Chisel body with a rotation axis a plurality of cutting edges is attached. A frequent chisel has a shank for connecting to a drill string, a variety of circumferentially spaced on the bit body arranged leaves, the extend outward from the central axis of rotation of the bit, and a lot of lengthwise each one Leaf attached cutting. A passage in the bit body carries nozzles in the Surface of the chisel drilling fluid for cleaning and cooling the Cutting too.

Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Bohrmeißel anwendbar, bei denen einige oder alle der Schneiden vorgeformte Schneiden sind, die, wenigstens teilweise, aus polykristallinem Diamanten oder einem anderen superharten Material hergestellt werden. Eine verbreitete Form von Schneiden weist eine Tafel, üblicherweise kreisförmig oder teilweise kreisförmig, auf, die aus einer superharten Platte aus polykristallinem Diamanten besteht, welche die vordere Schneidfläche der Schneide bereitstellt, gebunden an ein Substrat, das üblicherweise aus gesintertem Wolframkarbid besteht.The Invention is particularly, but not exclusively, applicable to drill bits, where some or all of the blades are preformed blades, which, at least partially, of polycrystalline diamond or a other superhard material can be made. A common form cutting has a panel, usually circular or partially circular, Made of super-hard polycrystalline diamond plate which provides the front cutting surface of the cutting edge, bound to a substrate, usually made of sintered tungsten carbide.

Der Meißelkörper kann spanend aus massivem Metall, üblicherweise Stahl, hergestellt werden oder kann unter Verwendung eines Pulvermetallurgieverfahrens geformt werden, bei dem Wolframkarbidpulver in einem Industrieofen mit einem Metall-Legierungsbindemittel infiltriert wird, so dass es eine harte Matrize bildet.Of the Chisel body can made of solid metal, usually Steel, or can be made using a powder metallurgy process tungsten carbide powder in an industrial furnace is infiltrated with a metal alloy binder, so that it forms a hard matrix.

Die Schneiden auf dem Bohrmeißel haben Schneidkanten, die zusammen ein Gesamt-Schneidprofil definieren, das die Oberflächenform der Sohle des Bohrlochs definiert, das der Meißel bohrt. Vorzugsweise ist das Schneidprofil wesentlich durchgehend über die Vorderfläche des Meißels derart, dass ein vergleichsweise glattes Bohrlochsohlenprofil gebildet wird.The Cutting on the drill bit have cutting edges that together define an overall cutting profile that matches the surface shape defines the bottom of the borehole that the bit drills. Preferably the cutting profile substantially continuously over the front surface of the chisel such that a comparatively smooth bottom hole profile is formed becomes.

Der Beitrag, den eine einzelne Schneide zur Schneidwirkung des Meißels und insbesondere zu den auf den Meißel wirkenden Kräften leistet, hängt von einer Zahl von Variablen ab. Zum Beispiel werden sich solche Faktoren entsprechend der axialen und radialen Position jeder Schneide im Verhältnis zu den anderen Schneiden verändern. Folglich wird ein Schneidelement, falls es in Radialrichtung so auf dem Meißel angeordnet wird, dass seine Bewegungsbahn teilweise die Bewegungsbahn einer vorangehenden Schneide überlappt, wenn sich der Meißel dreht, niedrigeren Kräften ausgesetzt, als es der Fall wäre, falls es in Radialrichtung so angeordnet würde, dass eine solche Überlappung nicht aufträte oder in einem geringeren Ausmaß aufträte, da die vordere Schneide bereits einiges Material aus der durch die folgende Schneide bestrichene Bahn entfernt haben wird.Of the Contribute a single cutting edge to the cutting action of the chisel and especially to those on the chisel acting forces does depends on a number of variables. For example, such factors will according to the axial and radial position of each cutting edge in the relationship change to the other cutting edges. Consequently, a cutting element, if so in the radial direction on the chisel is arranged that its trajectory partially the trajectory overlaps a preceding cutting edge, when the chisel turns, lower forces exposed as it would be, if it were arranged in the radial direction so that such an overlap did not occur or to a lesser extent, since the front Cut some material from the next edge will have removed the coated railway.

Ähnlich kann eine Schneide, die in Axialrichtung so angeordnet wird, dass sie weiter von der Oberfläche des Meißelkörpers vorsteht als eine andere ähnliche Schneide, höheren Kräften ausgesetzt sein als diese Schneide. In der Praxis kann die Wirkung jeder Schneide durch die Wirkung einer Zahl von anderen Schneiden, die sich an in Radial- und Axialrichtung benachbarten relativen Positionen befinden, beeinflusst werden. Es wird zu erkennen sein, dass solche Schneiden auf dem tatsächlichen Meißelkörper nicht notwendigerweise unmittelbar benachbart zueinander liegen müssen, sondern durchaus um einen beträchtlichen Abstand in Winkelrichtung umlaufend voneinander versetzt sein können.Similarly a cutting edge which is arranged in the axial direction so that they further from the surface projecting the bit body as another similar Cut, higher forces be exposed as this cutting edge. In practice, the effect can be each cutting edge by the action of a number of other cutting edges, which are adjacent to each other in the radial and axial directions Positions are affected. It will be recognized that such cutting on the actual Chisel body not necessarily be immediately adjacent to each other, but quite a considerable one Distance in the angular direction can be circumferentially offset from each other.

Um die bei Anwendung auf einen bestimmten Bohrmeißel wirkenden Kräfte, wie beispielsweise die Wirkung der Schneiden auf die Bohrmeißelauflast, das Drehmoment und eine Unwuchtkraft und einen Unwuchtwinkel für den Meißel zu bestimmen, ist es wünschenswert, dazu in der Lage zu sein, eine Analyse des Beitrags einzelner Schneiden zu solchen Kräften vorzunehmen. Dies ermöglicht, dass die Kraftcharakteristika einer bestimmten Meißelauslegung bestimmt und die Wirkung einer Modifikation der Auslegung, zum Beispiel durch Umsetzen von Schneiden, untersucht werden.Around the forces acting on a particular drill bit, such as For example, the effect of the cutting on the Bohrmißelauflast, to determine the torque and an imbalance force and an imbalance angle for the chisel it is desirable to be able to do an analysis of the contribution of individual cutting to such forces make. This makes possible, that the force characteristics of a particular chisel design determined and the effect of a modification of the design, for example by converting cutting, to be examined.

Es ist häufige Praxis, Rechner zum Modellieren und Analysieren von Meißelauslegungen zu verwenden, und es ist verschiedene Analyseverfahren vorgeschlagen worden. Es wird zu erkennen sein, dass eine solche Analyse zweckmäßigerweise durch Konstruieren eines Rechnermodells oder einer Darstellung einer bestimmten Meißelauslegung ausgeführt werden kann, wobei dann bestimmte Betriebscharakteristika des Meißels durch ein Rechnerprogramm, das an dem Rechnermodell des Meißels eine Reihe von Schritten ausführt, bestimmt oder geschätzt werden.It is frequent Practice, computer for modeling and analyzing chisel designs and various methods of analysis are proposed Service. It will be appreciated that such an analysis is appropriate by constructing a computer model or a representation of a computer model certain chisel design accomplished can then be, in which case certain operating characteristics of the bit by a computer program that uses a number on the computer model of the chisel of steps, determined or estimated become.

EP 384734 , US 4475606 und GB 2241266 beschreiben alle Anordnungen, bei denen die Orte von Schneiden, wenn der Meißel gedreht wird, auf eine Ebene projiziert werden, wodurch eine Abbildung des Schneidprofils des Meißels erzeugt wird. EP 384734 . US 4475606 and GB 2241266 describe all arrangements in which the locations of cutting when the bit is rotated are projected onto a plane, thereby producing an image of the cutting profile of the bit.

Die vorliegende Erfindung nimmt sich vor, ein neuartiges und verbessertes Verfahren zum Bestimmen von Charakteristika einer Bohrmeißelauslegung und insbesondere zum Schätzen der Wirkung der Schneidenanordnung auf die bei Anwendung auf den Meißel wirkende Kräfte bereitzustellen.The The present invention proposes a novel and improved A method for determining characteristics of a drill bit design and especially for treasure the effect of the blade assembly on the force acting on the bit personnel provide.

Das Verfahren wird durch eine Reihe von analytischen Schritten definiert, und der Zweckmäßigkeit halber und als Beitrag zum Verständnis werden solche Schritte beschrieben, als würden sie auf physikalische Elemente angewandt. Es wird jedoch zu erkennen sein, dass sich solche Verfahren in der Praxis zur Ausführung unter Verwendung eines Rechners eignen, und die beschriebenen Schritte werden in der Praxis normalerweise in einem Rechnerprogramm umgesetzt.The Procedure is defined by a series of analytical steps and the expediency half and as a contribution to understanding Such steps are described as if they were physical Applied elements. However, it will be appreciated that such Procedure in practice for execution using a calculator, and the steps described become in practice usually implemented in a computer program.

Nach der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Bestimmen von Charakteristika eines Rotary-Blattbohrmeißels der Art, die eine Vielzahl von Schneiden, angebracht an einem Meißelkörper mit einer Rotationsachse, umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Erzeugen einer Darstellung der Formen der Schneiden und ihrer Orte und Ausrichtungen im Verhältnis zur Meißelachse,
(b) Erzeugen einer Ebene, die im Verhältnis zu einer ausgewählten der Schneiden feststehend ist,
(c) Projizieren der Form der ausgewählten der Schneiden auf die feststehende Ebene,
(d) Überlagern der Projektion der ausgewählten Schneide mit einer zweidimensionalen Anordnung von zweidimensionalen Zellen, die eine kleinere Oberfläche haben als die Projektion,
(e) Zuweisen einer ersten Markierung an jene Zellen der Anordnung, welche die Projektion der ausgewählten Schneide überlagern,
(f) Drehen der Schneiden um die Meißelachse, bis alle anderen Schneiden wenigstens einmal durch die Ebene hindurchgegangen sind,
(g) Bewegen der Schneiden in Axialrichtung, während sie um die Meißelachse gedreht werden, um so die Bewegung des Bohrmeißels in Axialrichtung während des Bohrens darzustellen,
(h) Projizieren der Formen der anderen Schneiden auf die Ebene, wenn sie durch die Ebene hindurchgehen,
(i) Zuweisen einer zweiten Markierung an jene Zellen der Anordnung, welche sowohl die Projektion der ausgewählten Schneide als auch die Projektionen einer beliebigen der anderen Schneiden überlagern,
(j) Bestimmen eines oder mehrerer Parameter des Bereichs der Anordnung, der durch Zellen definiert wird, die nur die erste Markierung haben,
(k) Schätzen einer oder mehrerer Kräfte, die bei einem tatsächlichen Bohrmeißel am Ort der ausgewählten Schneide wirken werden, aus dem Parameter oder den Parametern,
(l) Wiederholen von Schritt (a) bis (k) für jede Schneide des Bohrmeißels und
(m) Kombinieren der geschätzten Kräfte, um die Gesamtwirkung der Schneiden auf die auf den Bohrmeißel wirkenden Kräfte zu bestimmen.

According to the invention, there is provided a method of determining characteristics of a rotary blade bit of the type comprising a plurality of blades mounted on a bit body having a rotation axis, the method comprising the steps of:

(a) generating a representation of the shapes of the blades and their locations and orientations relative to the bit axis,
(b) creating a plane that is fixed relative to a selected one of the cutting edges,
(c) projecting the shape of the selected ones of the cutters to the fixed plane,
(d) superposing the projection of the selected cutting edge on a two-dimensional array of two-dimensional cells having a smaller surface area than the projection,
(e) assigning a first mark to those cells of the array that overlay the projection of the selected edge,
(f) turning the blades about the bit axis until all other blades have passed at least once through the plane,
(g) moving the blades in the axial direction as they are rotated about the bit axis so as to represent the axial movement of the drill bit during drilling,
(h) projecting the shapes of the other blades onto the plane as they pass through the plane,
(i) assigning a second mark to those cells of the array which overlay both the projection of the selected cutting edge and the projections of any of the other cutting edges,
(j) determining one or more parameters of the region of the array defined by cells having only the first marker,
(k) estimating one or more forces that will act on an actual drill bit at the location of the selected cutting edge, from the parameter or parameters,
(l) repeating steps (a) through (k) for each bit of the drill bit and
(m) combining the estimated forces to determine the overall effect of the blades on the forces acting on the drill bit.

Die Ebene schneidet die ausgewählte Schneide und kann durch die Rotationsachse des Meißels hindurchgehen.The Layer cuts the selected edge and can pass through the axis of rotation of the bit.

In dem Fall, dass die Ebene durch die Rotationsachse des Meißels hindurchgeht, werden die Projektion der Form der ausgewählten Schneide und die Projektionen der Formen der anderen Schneiden üblicherweise senkrecht zu der Ebene liegen. Es sind jedoch Verfahren möglich, bei denen, wie beschrieben wird, die Richtung der Projektion nicht senkrecht zu der Ebene ist.In in the case where the plane passes through the axis of rotation of the bit, will be the projection of the shape of the selected cutting edge and the projections the shapes of the other cutting usually perpendicular to the Lie flat. However, methods are possible in which, as described is, the direction of the projection is not perpendicular to the plane.

Die zweidimensionalen Zellen können eine beliebige Form haben, sind aber vorzugsweise rechteckig. Zum Beispiel können die Zellen quadratisch sein.The two-dimensional cells can have any shape, but are preferably rectangular. To the Example can the cells are square.

In Schritt (e) des Verfahrens kann die zweite Markierung den Zellen der Anordnung zugewiesen werden, die nicht die Projektion der ausgewählten Schneide überlagern.In Step (e) of the method may be the second label to the cells assigned to the arrangement that does not overlap the projection of the selected edge.

Bei einem beliebigen der Verfahren nach der Erfindung werden die Schneiden in Axialrichtung bewegt, während sie um die Meißelachse gedreht werden, um so die Bewegung des Meißels in Axialrichtung während des Bohrens zu simulieren. Vorzugsweise werden die Schneiden um die Meißelachse in einer Richtung gedreht, die einer Umkehrdrehung des Meißels entspricht, und werden axial in einer Richtung bewegt, die dem Herausziehen des Meißels aus einem gerade gebohrten Bohrloch entspricht.at Any of the methods according to the invention will be the cutting edges moved in the axial direction while she around the chisel axis be rotated so as to move the chisel in the axial direction during the To simulate drilling. Preferably, the cutting edges are around bit axis rotated in a direction that corresponds to a reverse rotation of the bit, and are moved axially in a direction that pulls out of the chisel from a borehole just drilled.

Vorzugsweise wird die Drehung der Schneiden fortgesetzt, bis keine Projektion der anderen Schneiden die Projektion der ausgewählten Schneide überlagert, wenn die anderen Schneiden durch die Ebene hindurchgehen.Preferably the rotation of the cutting continues until no projection the other cutting superimposed on the projection of the selected cutting edge, when the other cutting edges go through the plane.

Vorzugsweise werden die Schritte des Verfahrens für alle Schneiden ausgeführt, wobei jede der Reihe nach die ausgewählte Schneide ist.Preferably The steps of the method are executed for all cutting, where each in turn the selected one Cutting edge is.

Die Parameter, die von dem Bereich der Anordnung bestimmt werden, der durch Zellen definiert wird, die nur die erste Markierung haben, können ausgewählt werden aus der Schneidfläche, der Scherlänge, den Flächenmomenten und den zweiten Flächenmomenten, definiert durch die Zellen. Die Berechnung solcher Parameter wird weiter unten detaillierter beschrieben.The Parameters determined by the region of the array, the is defined by cells having only the first mark, can be selected from the cutting surface, the shearing length, the area moments and the second area moments, defined by the cells. The calculation of such parameters will described in more detail below.

Vorzugsweise schließt das Verfahren den weiteren Schritt ein, die an den jeweiligen Schneiden wirkenden Kräfte zu kombinieren, um Kraftparameter für den Bohrmeißel als Ganzes zu schätzen. Zum Beispiel können die Kraftparameter ausgewählt werden aus der Bohrmeißelauflast, dem Drehmoment, der Unwuchtkraft und dem Unwuchtwinkel.Preferably includes the process takes the further step of acting on the respective cutting edges personnel combine to force parameters for the drill bit as To appreciate the whole. For example, you can the force parameters selected become from the Bohrmißelauflast, the torque, the unbalance force and the imbalance angle.

Bei einigen Analyseformen kann angenommen werden, dass sich die Schneiden um die Mittelachse des Meißels drehen. Jedoch sind Meißel, wie gut bekannt ist, manchmal einem „Meißelwirbel" ausgesetzt, wenn der rotierende Meißel eine Präzession um die Wände des Bohrlochs aufweist, wenn sich der Meißel dreht, mit dem Ergebnis, dass sich die Mittelachse des Meißels selbst um die Achse des Bohrlochs dreht. Im Ergebnis dessen mag die Bewegungsrichtung einer bestimmten Schneide in einem beliebigen Augenblick nicht senkrecht zu einer Ebene sein, die durch die Mittelachse des Meißels hindurchgeht. Um den Meißelwirbel zu simulieren, kann das Verfahren nach der Erfindung daher so modifiziert werden, dass die Projektion der Form jeder Schneide im Verhältnis zu der Ebene in einer Richtung liegt, die der Bewegungsrichtung dieser Schneide durch die Ebene entspricht, wie sie durch eine vorgeschriebene Bewegung der Meißelachse modifiziert wird.at Some forms of analysis can be assumed to be the cutting edges around the central axis of the chisel rotate. However, chisels, as is well known, sometimes exposed to a "chisel whirl" when the rotating chisel one Precession around the walls of the borehole when the bit rotates, with the result that that the central axis of the bit itself about the axis of the Borehole rotates. As a result, the direction of movement of a certain cutting edge is not vertical at any moment to a plane passing through the central axis of the bit. To the chisel whirl Therefore, the method according to the invention can be modified in this way Be that projection of the shape of each cutting edge in proportion to the plane lies in one direction, the direction of movement of this Cutting edge through the level corresponds to how prescribed by a Movement of the chisel axis is modified.

Das Verfahren nach der Erfindung kann in Verbindung mit herkömmlichen dynamischen Analysetechniken verwendet werden, um, wie beschrieben wird, eine dynamische Analyse einer Meißelauslegung durchzuführen.The Method according to the invention can be used in conjunction with conventional dynamic analysis techniques are used, as described, perform a dynamic analysis of a chisel design.

Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung eines Verfahrens nach der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:The The following is a more detailed description of a method of the invention, reference being made to the accompanying drawings, in which:

1 eine Stirnansicht einer Art eines Bohrmeißels des allgemeinen Typs ist, auf den die Erfindung angewendet werden kann, 1 is an end view of a type of drill bit of the general type to which the invention can be applied,

2 ein schematischer Schnitt durch eine typische, am Bohrmeißel angebrachte, vorgeformte Schneide ist, 2 Figure 3 is a schematic section through a typical preformed cutting edge mounted on the drill bit;

3 schematisch die Projektion der Form der Schneide auf eine Ebene zeigt, 3 schematically shows the projection of the shape of the cutting edge on a plane,

4 eine schematische Darstellung der Projektion der Form der Schneide, überlagert mit einer Anordnung von Zellen, ist, 4 a schematic representation of the projection of the shape of the cutting edge, superimposed with an array of cells, is

5 die Projektion einer anderen Schneide, überlagert auf der Anordnung, zeigt, 5 the projection of another cutting edge, superimposed on the arrangement, shows

6 die Projektion einer weiteren Schneide auf der Anordnung zeigt und 6 the projection of another cutting edge on the arrangement shows and

7 eine schematische Darstellung einer Schneide ist, um bestimmte Parameter der Schneide zu illustrieren. 7 a schematic representation of a cutting edge is to illustrate certain parameters of the cutting edge.

Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird eine Stirnansicht einer Art eines Vollbohrung-Bohrmeißels des Typs gezeigt, auf den die Erfindung angewendet werden kann. Der Meißelkörper 10 wird typischerweise spanend aus Stahl hergestellt und hat an einem Ende einen Gewindeschaft (nicht gezeigt) zum Verbinden mit einem Bohrstrang. Die Arbeitsstirnfläche des Meißelkörpers wird mit einer Zahl von Blättern 11 hergestellt, die vom mittleren Bereich des Meißels nach außen ausstrahlen, wobei die Blätter Schneiden 12 tragen, die mit Zwischenraum längs der Länge derselben angeordnet werden.With reference to 1 and 2 For example, an end view of one type of solid bore drill bit of the type to which the invention may be applied is shown. The bit body 10 is typically machined from steel and has a threaded shank (not shown) at one end for connection to a drill string. The working face of the bit body is made with a number of blades 11 made to radiate outward from the central portion of the bit, with the blades cutting 12 wear, which are arranged with clearance along the length of the same.

Der Meißelkaliberabschnitt schließt Kicker 13 ein, die bei Anwendung die Wände des Bohrlochs berühren, um den Meißel im Bohrloch zu stabilisieren. Ein Mitteldurchgang (nicht gezeigt) in dem Meißelkörper und dem Schaft führt durch im Meißelkörper angebrachte Düsen 14 auf eine bekannte Weise Spülschlamm zu, um die Schneiden zu reinigen und zu kühlen.The chisel section closes kicker 13 which, in use, contact the walls of the wellbore to stabilize the bit in the wellbore. A central passage (not shown) in the bit body and shaft passes through nozzles mounted in the bit body 14 in a known manner drilling mud to clean and cool the cutting.

Jede Schneide 12 umfasst ein vorgeformtes Schneidelement 15, angebracht an einem Träger 16 in der Form eines Zapfens, der in einer Fassung im Blatt 11 befestigt wird. Jedes Schneidelement 15 umfasst eine kreisförmige Platte mit einer vorderen Planscheibe 17 aus polykristallinem Diamanten, welche die vordere Schneidfläche des Elements bereitstellt, gebunden an ein Substrat 18 aus gesintertem Wolframkarbid, wobei das Substrat wiederum an den Träger 16 gebunden ist.Every cutting edge 12 includes a preformed cutting element 15 , attached to a vehicle 16 in the form of a pin, in a socket in the leaf 11 is attached. Each cutting element 15 includes a circular plate with a front face plate 17 of polycrystalline diamond providing the front cutting surface of the element bonded to a substrate 18 made of sintered tungsten carbide, the substrate in turn attached to the carrier 16 is bound.

Es wird zu erkennen sein, dass dies nur ein Beispiel vieler möglicher Variationen des Typs von Meißel und Schneide ist, auf welche die Erfindung angewendet werden kann.It It will be appreciated that this is just one example of many possible ones Variations of the type of chisel and cutting edge to which the invention can be applied.

Die Aufgabe des Verfahrens nach der Erfindung ist es, zu ermöglichen, dass eine statische Analyse einer bestimmten Auslegung eines Bohrmeißels durchgeführt wird, um so den Beitrag zu den auf den Meißel wirkenden Kräften zu bestimmen, der bei Anwendung durch die Schneiden geleistet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass zuerst die Form desjenigen Abschnitts jeder Schneide bestimmt wird, der zur Schneidwirkung beiträgt, bestimmte Parameter dieses Abschnitts der Schneide bestimmt werden, diese Parameter in geeigneten Schneidenkraftalgorithmen verwendet werden, um die an jeder Schneide wirkenden Kräfte zu schätzen, und danach die an jeder der Schneiden am Bohrmeißel wirkenden Kräfte kombiniert werden, um die Gesamtwirkung der Schneiden auf die auf den Meißel wirkenden Kräfte zu bestimmen.The The object of the method according to the invention is to enable that a static analysis of a particular design of a drill bit is performed, so as to contribute to the forces acting on the chisel determined by the cutting when applied. This is achieved by first taking the shape of that section each cutting edge, which contributes to the cutting action, certain Parameters of this section of the cutting edge are determined by these parameters be used in appropriate cutting force algorithms to the forces acting on each cutting edge appreciate, and then combine the forces acting on each of the blades on the drill bit Be aware of the overall effect of cutting on the chisel personnel to determine.

Es werden nun die Schritte eines bestimmten Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zum Zweck der Erläuterung und der Klärung werden die Schritte des Verfahrens in physikalischen Begriffen beschrieben, aber in der Praxis wird ein geeignetes Rechnerprogramm geschrieben, um Rechnerversionen der beschriebenen Schritte auszuführen und um die erforderliche Analyse durchzuführen.The steps of a particular method according to the present invention will now be described. For purposes of explanation and explanation, the steps of the method will be described in physical terms, but in practice a suitable computer program will be written to compute computer versions of the steps described and perform the required analysis.

BEISPIEL DES VERFAHRENSEXAMPLE OF PROCEDURE

SCHRITT 1STEP 1

Es wird eine Rechnerdarstellung der Formen der Schneiden einer vorgeschlagenen oder vorhandenen Auslegung eines Bohrmeißels, einschließlich der Orte der Schneiden und ihrer Ausrichtungen im Verhältnis zur Meißelachse, erzeugt. Es ist eine häufige Praxis, zu verschiedenen Zwecken Rechnerdarstellungen von Bohrmeißelauslegungen zu erzeugen, und es sind Programme zum Erzeugen solcher Darstellungen erhältlich.It is a computer presentation of the forms of cutting a proposed or existing design of a drill bit, including the Places of cutting and their alignments in relation to Bit axis, generated. It is a common one Practice, for various purposes Computer representations of drill bit designs and programs for generating such representations available.

SCHRITT 2 (siehe 3)STEP 2 (see 3 )

Für eine ausgewählte Schneide 20 wird eine Ebene 21 erzeugt, die durch die Meißelmittelachse und die Mitte 22 der polykristallinen Diamantschicht der Schneide hindurchgeht.For a selected cutting edge 20 becomes a level 21 generated by the chisel center axis and the center 22 the polycrystalline diamond layer of the cutting edge passes.

SCHRITT 3 (3 und 4)STEP 3 ( 3 and 4 )

Die Form der Schneide 20 wird, wie es in 3 und 4 bei 23 gezeigt wird, senkrecht auf die Ebene 21 projiziert.The shape of the cutting edge 20 will, as it is in 3 and 4 at 23 is shown perpendicular to the plane 21 projected.

Die Schneide wird normalerweise einen negativen Spitzenanschnittwinkel zeigen, das heißt, sie wird, wie in 2 und 3 gezeigt, in der Rotationsrichtung des Bohrmeißels nach vorn geneigt sein, und die Schneide kann ebenfalls einen Seitenanschnittwinkel zeigen, das heißt, sie wird geneigt sein, so dass sie im Verhältnis zur Rotationsachse des Bohrmeißels nach innen oder nach außen zeigt. Dementsprechend wird die Projektion 23 der Schneide auf die Ebene 21 normalerweise eine Ellipse sein, falls die Schneide kreisförmig ist. Der Einfachheit halber werden die Projektionen der Schneiden in den beigefügten Zeichnungen jedoch als kreisförmig gezeigt.The cutting edge will normally show a negative leading angle, that is, it will, as in 2 and 3 2, may be inclined forwardly in the direction of rotation of the drill bit, and the cutting edge may also have a side gating angle, that is, it will be inclined so as to face inwardly or outwardly relative to the axis of rotation of the drill bit. Accordingly, the projection becomes 23 the cutting edge on the plane 21 usually an ellipse if the cutting edge is circular. For the sake of simplicity, however, the projections of the blades will be shown as circular in the accompanying drawings.

SCHRITT 4 (4)STEP 4 ( 4 )

Die Projektion 23 der ausgewählten Schneide wird mit einer zweidimensionalen Anordnung 24 überlagert, die eine große Zahl von quadratischen Zellen 25 umfasst, die eine beträchtlich kleinere Oberfläche haben als die Projektion 23 der ausgewählten Schneide. Typischerweise kann jede Zelle eine Seitenlänge haben, die etwa ein Hundertstel des Durchmessers der Schneide beträgt. Der Klarheit wegen werden die Zellen 25 in den Zeichnungen größer gezeigt, als sie es in der Praxis normalerweise wären.The projection 23 The selected cutting edge is made with a two-dimensional arrangement 24 superimposed on a large number of square cells 25 which have a considerably smaller surface area than the projection 23 the selected cutting edge. Typically, each cell may have a side length that is about one-hundredth of the diameter of the blade. For clarity, the cells become 25 shown larger in the drawings than they would normally be in practice.

SCHRITT 5STEP 5

Allen denjenigen Zellen 25, die wenigstens teilweise innerhalb der projizierten Schneidenform 23 liegen, wird ein Wert 1 zugewiesen, und allen denjenigen Zellen 25, die außerhalb der projizierten Schneidenform liegen, wird ein Wert 0 zugewiesen.All those cells 25 at least partially within the projected cutting edge shape 23 a value of 1 is assigned, and all those cells 25 , which are outside the projected cutting edge shape, is assigned a value of 0.

SCHRITT 6STEP 6

Der Meißel wird entgegengesetzt im Verhältnis zur Ebene 21 gedreht, so dass jede Schneide am Meißel nacheinander durch die Ebene 21 hindurchgeht. Die Umkehrdrehung des Meißels wird begleitet von einer Axialbewegung des Meißels in einer Richtung, die dem Herausziehen aus dem Bohrloch entspricht, um so die Umkehr des Eindringens, das während des Bohrens auftritt, zu simulieren. Demzufolge bewegt sich jede Schneide in der Axialrichtung nach oben, wenn sie sich rückwärts durch die Ebene 21 bewegt.The chisel is opposed in relation to the plane 21 Turned so that each cutting edge on the chisel passes through the plane one after the other 21 passes. The reverse rotation of the bit is accompanied by axial movement of the bit in a direction corresponding to withdrawal from the borehole so as to simulate the reversal of penetration occurring during drilling. As a result, each blade moves upward in the axial direction as it travels backward through the plane 21 emotional.

SCHRITT 7 (5)STEP 7 ( 5 )

Wenn jede der anderen Schneiden durch die Ebene 21 hindurchgeht, wird die Form jeder Schneide, wie in 5 bei 26 angezeigt, auf die Anordnung 24 projiziert. 5 zeigt einen Fall, in dem die Projektion 26 der anderen Schneide teilweise die Projektion 23 der ausgewählten Schneide 20 überlagert.When each of the other cuts through the plane 21 goes through, the shape of each cutting edge, as in 5 at 26 displayed on the arrangement 24 projected. 5 shows a case where the projection 26 the other cutting partly the projection 23 the selected cutting edge 20 superimposed.

SCHRITT 8STEP 8

Wie bei 27 angezeigt, werden allen Zellen 25, die sowohl die Projektion 23 der ausgewählten Schneide als auch die Projektion 26 der anderen Schneide überlagern, Werte 0 zugewiesen.As in 27 displayed, all cells are displayed 25 that both the projection 23 the selected cutting edge as well as the projection 26 overlay the other edge, values 0 assigned.

SCHRITT 9 (6)STEP 9 ( 6 )

Der Vorgang wird für jede andere Schneide wiederholt, und 6 zeigt die Projektion 28 einer anderen Schneide, wobei diese Projektion wenigstens teilweise die Projektion 23 der ausgewählten Schneide überlagert. Die Umkehrdrehung und das Herausziehen des Meißels in Axialrichtung im Verhältnis zur Ebene 21 werden fortgesetzt, bis sich die Projektionen keiner weiteren Schneiden mit der Projektion der gerade untersuchten ausgewählten Schneide überschneiden.The process is repeated for every other cutting edge, and 6 shows the projection 28 another cutting edge, this projection at least partially the projection 23 superimposed on the selected edge. The reverse rotation and extraction of the bit in the axial direction in relation to the plane 21 are continued until the projections of any further cutting intersect with the projection of the selected cutting edge being examined.

Wie in 7 gezeigt, definieren die Zellen 25, die mit dem Wert 1 verbleiben, die wirksame Schneidfläche der Projektion 23 der ausgewählten Schneide 20.As in 7 shown, define the cells 25 , which remain with the value 1, the effective cutting surface of the projection 23 the selected cutting edge 20 ,

SCHRITT 10STEP 10

Die Schneidflächen, die Scherlänge, die Flächenmomente und die zweiten Flächenmomente für die Zellen mit einem Wert 1 werden für die ausgewählte Schneide berechnet. Dies sind die Parameter, welche die an der Schneide wirkenden Kräfte beeinflussen. Die Schneidfläche ist die Gesamtfläche der Zellen mit einem Wert 1, die Scherlänge ist die Länge der freigelegten gekrümmten Schneidkante 29 der Projektion der Schneide, wobei die Enden der Schneidkante bei 30 und 31 angezeigt werden. Die Flächenmomente der Zellen sind die Produkte der Flächen der Zellen und ihrer Abstände von der vertikalen und der horizontalen Achse 32, 33 der Projektion 23. Die zweiten Flächenmomente sind die Flächen der Zellen, multipliziert mit den Quadraten der Abstände von diesen Achsen.The cutting surfaces, the shear length, the surface moments and the second surface moments for the cells with a value of 1 are calculated for the selected edge. These are the parameters that influence the forces acting on the cutting edge. The cutting area is the total area of the cells with a value of 1, the shearing length being the length of the exposed curved cutting edge 29 the projection of the cutting edge, with the ends of the cutting edge at 30 and 31 are displayed. The area moments of the cells are the products of the surfaces of the cells and their distances from the vertical and horizontal axes 32 . 33 the projection 23 , The second area moments are the areas of the cells multiplied by the squares of the distances from these axes.

SCHRITT 11STEP 11

Die Schritte 1 bis 10 werden für jede Schneide am Meißel wiederholt, wobei jede der Reihe nach die ausgewählte Schneide ist.The Steps 1 to 10 are for every cutting edge on the chisel repeated, each in turn being the selected edge.

Diese Schritte liefern die Schneidflächeneigenschaften (Fläche, Scherlänge usw., wie erforderlich) für jede Schneide am Meißel.These Steps provide the cutting surface properties (Area, shear length etc., as required) for every cutting edge on the chisel.

SCHRITT 12STEP 12

Die Schneidflächeneigenschaften der Schneiden werden in entsprechende Schneidenkraftalgorithmen eingesetzt, um die an jeder Schneide wirkenden Kräfte zu schätzen. Fachleute auf dem Gebiet werden die geeigneten Algorithmen für diesen Zweck kennen.The Cutting surface properties the cutting edges are transformed into appropriate cutting force algorithms used to estimate the forces acting on each cutting edge. professionals in the field will be the appropriate algorithms for this purpose know.

SCHRITT 13STEP 13

Danach werden, unter Verwendung herkömmlicher Techniken, die Schneidenkräfte aller Schneiden kombiniert, um für den Meißel die Bohrmeißelauflast, das Drehmoment, die Unwuchtkraft und den Unwuchtwinkel, die auf die Schneiden zurückzuführen sind, zu bestimmen.After that be, using conventional Techniques, the cutting forces all cutting combined to for the chisel the drill bit loading, the torque, the imbalance and the imbalance angle on the cutting edges are due to determine.

Wie zuvor erläutert, werden die obigen Schritte normalerweise durch ein geeignetes Rechnerprogramm ausgeführt, und das Programm wird dafür ausgelegt, eine Ausgabe der erforderlichen Informationen in einer beliebigen geeigneten Form bereitzustellen. Das Programm kann ebenfalls dafür ausgelegt werden, eine bildliche Darstellung der durch die Schneiden bereitgestellten Schnittformen und des Schneidprofils des Bohrmeißels bereitzustellen.As previously explained The above steps will normally be performed by a suitable computer program executed and the program will work for it designed to output the required information in one to provide any suitable shape. The program can also designed for it be a pictorial representation of the provided by the cutting Provide cutting shapes and the cutting profile of the drill bit.

Es wird zu erkennen sein, dass das Verfahren, wenn es in ein Rechnerprogramm eingebaut wird, eine schnelle Analyse von Modifikationen an einer Meißelauslegung ermöglichen kann, und es leicht zu sehen sein kann, wie Modifikationen bei Schneidenort und -ausrichtung die auf den Meißel wirkenden Kräfte beeinflussen werden. Es stellt folglich ein Werkzeug bereit, mit dem für eine bestimmte Auslegung eines Bohrmeißels zum Beispiel Unwuchtkräfte und ein Unwuchtwinkel vorher bestimmt werden können, wobei diese Informationen zum Kontrollieren des Meißelwirbels verwendet werden.It will be to recognize that the procedure when it is in a computer program is incorporated, a quick analysis of modifications to one bit design enable can, and it can be easily seen as modifications at cutting site and alignment affect the forces acting on the bit become. It thus provides a tool with which for a particular design a drill bit for example imbalance forces and an imbalance angle can be determined in advance, this information to control the chisel vertebra be used.

Wie zuvor erwähnt, kann das Verfahren, um die Wirkung eines Meißelwirbels auf eine bestimmte Meißelauslegung zu simulieren, durch Simulieren einer Rotationspräzession der Meißelachse, während die Schritte des Verfahrens vor sich gehen, modifiziert werden. Dies kann durch Verändern der Richtung der Projektion jeder Schneide auf die Anordnung 25 erreicht werden, so dass im Ergebnis einer Drehung der Meißelachse, wenn sie durch die Ebene der Anordnung hindurchgeht, die Projektion nicht senkrecht zu der Anordnung erfolgt, sondern in der tatsächlichen Richtung der Bewegung jeder Schneide erfolgt.As previously mentioned, in order to simulate the effect of a chisel whirl on a particular bit design, the method can be modified by simulating a rotational precession of the bit axis as the steps of the method proceed. This can be done by changing the direction of projection of each cutting edge on the assembly 25 so that, as a result of a rotation of the bit axis as it passes through the plane of the array, the projection does not occur perpendicular to the array, but in the actual direction of movement of each cutting edge.

Es besteht ebenfalls die Wahlmöglichkeit, unter Verwendung des obigen Verfahrens in Verbindung mit herkömmlichen dynamischen Analysetechniken dynamische Analysen durchzuführen. In diesem Fall ist es erforderlich, das obige Verfahren geringfügig zu modifizieren, weil die Bewegung der Schneiden bei einer dynamischen Analyse nicht vorher definiert ist und so die Schneidenpositionen zur Verwendung beim anschließenden „Zurückspulen" des Meißels zum Bestimmen der Schneidenüberlagerung gespeichert werden müssen.It There is also the option under Use of the above method in conjunction with conventional dynamic analysis techniques perform dynamic analysis. In In this case, it is necessary to slightly modify the above method, because the movement of the cutting edges in a dynamic analysis is not previously defined and so the cutting positions for use during the subsequent "rewinding" of the chisel to Determine the cutting edge overlay must be stored.

Claims

A method of determining characteristics of a rotary blade bit of the type comprising a plurality of blades ( 12 ) mounted on a bit body ( 10 ) having a rotation axis, the method comprising the steps of: (a) generating a representation of the shapes of the edges ( 12 ) and their locations and orientations relative to the bit axis, (b) generating a plane ( 21 ) in relation to a selected one of the cutting edges ( 20 ), (c) projecting the shape of the selected ones of the cutters to the fixed plane (c) 21 ), and characterized by the following steps: (d) overlaying the projection ( 23 ) of the selected cutting edge ( 20 ) with a two-dimensional arrangement ( 24 ) of two-dimensional cells having a smaller surface than the projection ( 23 ), (e) assigning a first label to those cells of the assembly ( 24 ), which the projection ( 23 ) of the selected cutting edge ( 20 overlay, (f) turning the cutting edges ( 12 ) around the chisel axis until all other cutting edges ( 12 ) at least once through the plane ( 21 ), (g) moving the blades ( 12 ) in the axial direction, while being rotated about the bit axis so as to represent the movement of the drill bit in the axial direction during drilling, (h) projecting the shapes of the other cutting edges (FIG. 12 ) to the level ( 21 ), when going through the plane ( 21 (i) assigning a second label to those cells of the assembly ( 24 ), which both the projection ( 23 ) of the selected cutting edge ( 20 ) as well as the projections of any of the other cutting edges ( 12 superimposing (j) determining one or more parameters of the region of the array ( 24 ) defined by cells having only the first mark (k) estimating one or more forces acting on an actual drill bit at the location of the selected cutting edge ( 20 ), from the parameter or parameters, (l) repeating steps (a) to (k) for each cutting edge ( 12 ) of the drill bit and (m) combining the estimated forces to determine the overall effect of the blades on the forces acting on the drill bit.

Method according to Claim 1, in which the plane ( 21 ) passes through the axis of rotation of the drill bit.

Method according to claim 1 or claim 2, wherein the plane ( 21 ) the selected cutting edge ( 20 ) cuts.

Method according to Claim 3, in which the center of the selected cutting edge ( 20 ) on the layer ( 21 ) lies.

Method according to one of the preceding claims, in which the projections of the shapes of the cutting edges ( 12 ) perpendicular to the plane ( 21 ) are.

Method according to one of the preceding claims, in which the two-dimensional cells of the arrangement ( 24 ) are rectangular.

Method according to one of the preceding claims, in which, in step (e) of the method, the second marking is applied to the cells of the assembly ( 24 ), which is not the projection ( 23 ) of the selected cutting edge ( 20 overlay).

Method according to one of the preceding claims, in which the cutting edges ( 12 ) are axially moved in a direction corresponding to the extraction of the bit from a borehole just drilled.

Method according to one of the preceding claims, in which the cutting edges ( 12 ) about the bit axis in a direction corresponding to a reverse rotation of the bit.

Method according to one of the preceding claims, in which the rotation of the cutting edges ( 12 ) is continued until no projection of the other cutting ( 12 ) the projection ( 23 ) of the selected cutting edge ( 20 superimposed when the other cutting edges ( 12 ) through the plane ( 21 ) go through.

Method according to one of the preceding claims, wherein the steps of the method for all cutting ( 12 ), each in turn being the selected edge.

Method according to one of the preceding claims, in which the parameters which depend on the region of the arrangement ( 24 ) defined by cells having only the first mark, are selected from the cutting area, the shear length, the area moments, and the second area moments defined by the cells.

Method according to one of the preceding claims, which includes the further step combine the forces acting on the respective cutting edges to force parameters for the Drill bit as To appreciate the whole.

The method of claim 13, wherein the force parameters selected become from the Bohrmißelauflast, the torque, the unbalance force and the imbalance angle.

Method according to one of the preceding claims, in which the projection of the shape of each cutting edge ( 12 ) in relation to the plane in one direction, the direction of movement of this cutting edge ( 12 ) through the plane as modified by a prescribed movement of the bit axis.