DE69825520T2

DE69825520T2 - Verbesserungen an Drehbohrmeisseln

Info

Publication number: DE69825520T2
Application number: DE69825520T
Authority: DE
Inventors: Douglas Kingwood Caraway; John Minchinhampton Hayward; Malcolm Roy Taylor; Tom Scott Quedgeley Roberts; Steven Cheltenham Taylor; Graham Frampton-on-Severn Watson
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: GB2326657B; EP0872624A3; GB9807554D0; EP0872624A2; DE69825520D1; US5967246A; US5992547A; US6092613A; GB2326657A; US5904213A; EP0872624B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Rotary-Bohrmeißel und insbesondere Rotary-Bohrmeißel zur Verwendung beim Bohren von Löchern in unterirdischen Formationen.
Bei der normalen Konstruktion nach dem bekannten technischen Stand wird der Kalibrierbereich des Bohrmeißels durch eine Vielzahl von Kickern gebildet, die mit Zwischenraum um den Außenumfang des Meißelkörpers angeordnet werden und mit Lagerflächen geformt werden, die bei Anwendung an der Wand des Bohrlochs anliegen. Die Kicker bilden allgemein Fortsetzungen von entsprechenden Blättern, die an der Vorderfläche des Meißels geformt werden und sich von der Achse des Meißels nach außen zum Kalibrierbereich hin erstrecken, um so zwischen den Kickern Fluidkanälen zu definieren, die zum Kalibrierbereich hin führen. Die Räume zwischen den Kickern definieren Abfallschlitze, mit denen die Kanäle zwischen den Blättern in Verbindung stehen. Während des Bohrens strömt den Bohrstrang hinab zu Düsen im Meißelkörper gepumpter Spülschlamm längs der Kanäle nach außen, in die Abfallschlitze am Ende der Kanäle und läuft durch die Abfallschlitze nach oben in den Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und der Wand des Bohrlochs.
Während solche PDC-Bohrmeißel beim Bohren verhältnismäßig weicher Formationen sehr erfolgreich gewesen sind, sind sie weniger erfolgreich gewesen beim Bohren härterer Formationen, einschließlich weicher Formationen, die härtere Einschlüsse oder Stränge einschließen. Obwohl gute Durchdringungsgeschwindigkeiten in härteren Formationen möglich sind, können die PDC-Bohrkronen einem beschleunigten Verschleiß unterliegen. Folglich kann die Meißel-Lebensdauer zu kurz sein, um kommerziell annehmbar zu sein.
Untersuchungen haben nahegelegt, daß der schnelle Verschleiß von PCD-Bohrmeißeln in härteren Formationen auf das Abplatzen der Bohrkronen im Ergebnis von durch Vibration des Bohrmeißels verursachten Stoßbelastungen zurückzuführen sein kann. Eine der schädlichsten Vibrationsarten kann einer Erscheinung zugeschrieben werden, die „Meißelwirbel" genannt wird, bei welcher der Bohrmeißel beginnt, in der zur Rotationsrichtung des Bohrmeißels entgegengesetzten Richtung eine Präzession um das Loch aufzuweisen. Ein Ergebnis des Meißelwirbels ist, daß sich einige Bohrkronen im Verhältnis zur Formation zeitweilig in der umgekehrten Richtung bewegen können, und dies kann zu einer Beschädigung der Schneidelemente führen.
Es wird angenommen, daß die Stabilität eines solchen Bohrmeißels und seine Fähigkeit, Vibration zu widerstehen, durch ein Steigern der Oberfläche der Lagerflächen auf dem Kalibrierbereich, die mit der Wand des Bohrlochs ineinandergreifen, verbessert werden können. Bei den Gestaltungen nach dem bekannten technischen Stand kann die Eingriffsoberfläche jedoch nur durch Steigern der Länge und/oder der Breite der Lagerflächen auf den Kickern gesteigert werden. Es kann unerwünscht sein, die Länge der Lagerflächen zu steigern, da dies bei lenkbaren Bohrsystemen zu Schwierigkeiten beim Lenken des Bohrmeißels führen kann. Ähnlich verringert ein Steigern der Umfangsbreite der Lagerflächen notwendigerweise die Breite der Abfallschlitze zwischen den Lagerflächen, und dies kann zu einem geringeren als dem optimalen Hydraulikstrom von Spülschlamm längs der Kanäle und über die Bohrkronen führen und dies kann zu einem weniger als optimalen hydraulischen Fluß von Spülschlamm längs der Kanäle und über die Bohrkronen führen, oder es kann zu einer Verstopfung der Abfallschlitze und Kanäle durch Bohrmehl führen.
Die Britische Patentbeschreibung Nr. 2294070 beschreibt und beansprucht Anordnungen, um einige der obigen Nachteile zu verringern oder zu überwinden. Im einzelnen beschreibt die Beschreibung einen Rotary-Bohrmeißel mit einer Vorderfläche und einem Kalibrierbereich, einer Vielzahl von Blättern, die auf der Vorderfläche des Meißels geformt werden und sich von der Achse des Meißels nach außen zum Kalibrierbereich hin erstrecken, um so zwischen den Blättern eine Vielzahl von Fluidkanälen zu definieren, die zum Kalibrierbereich hin führen, einer Vielzahl von längs jedes Blatts angebrachten Schneidelementen und einer Vielzahl von Düsen im Meißelkörper, um den Kanälen zum Reinigen und Kühlen der Schneidelemente Spülschlamm zuzuführen. In wenigstens einem der Kanäle wird angrenzend an den Kalibrierbereich eine Öffnung in einen eingeschlossenen Durchgang bereitgestellt, der innen durch den Meißelkörper zu einem Auslaß läuft, der bei Anwendung mit dem Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und der Wand des gerade gebohrten Bohrlochs verbunden ist, wobei der Abschnitt des Kalibrierbereichs von der Öffnung nach außen eine Lagerfläche umfaßt, die bei Anwendung an der Wand des Bohrlochs anliegt und sich über die Breite des einen Kanals erstreckt.
Die vorliegende Erfindung betrifft Modifikationen und Entwicklungen der Erfindung, auf die in GB 2294070 Bezug genommen wird.
US 4515227 beschreibt einen Bohrmeißel mit einem Kalibrierbereich, in dem verhältnismäßig große Abfallschlitze geformt werden.
Nach der Erfindung wird ein Bohrmeißel zum Verbinden mit einem Bohrstrang und zum Bohren von Bohrlöchern in unterirdischen Formationen bereitgestellt, der folgendes umfaßt:
einen Meißelkörper mit einer Vorderfläche und einem Kalibrierbereich,
eine Vielzahl von Schneidelementen, angebracht an der Vorderfläche,
eine Vielzahl von Düsen, angebracht im Meißelkörper, um der Oberfläche des Meißelkörpers zum Reinigen und Kühlen der Schneidelemente Spülschlamm zuzuführen,
wenigstens eine Öffnung, angeordnet in der Vorderfläche, wobei die Öffnung zu einem Durchgang führt, der zwischen der Öffnung und einem Auslaß innen durch den Meißelkörper hindurchgeht, und
eine Lagerfläche, angeordnet an einem Abschnitt des Kalibrierbereichs in Radialrichtung von der Öffnung nach außen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche im Querschnitt gesehen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des Meißels enthält, bogenförmig ist.
Die Lagerfläche kann um den gesamten Kalibrierbereich verlaufen und mit wenigstens einer Öffnung geformt werden, die mit dem wenigstens einen eingeschlossenen Durchgang verbunden wird, der innen durch den Meißelkörper hindurchgeht.
Jede Öffnung in der Lagerfläche kann die Form eines länglichen Schlitzes haben, der allgemein in Längsrichtung des Kalibrierabschnitts, zum Beispiel allgemein parallel zur Längsachse des Bohrmeißels, verläuft.
Obwohl die um den Kalibrierbereich verlaufende Lagerfläche die Form einer wesentlich durchgehenden Fläche mit einer feststehenden Tiefe und Position in Längsrichtung haben kann, ist dies nicht entscheidend, und der Verschleiß der Lagerfläche kann dadurch verringert werden, daß Abschnitte derselben im Verhältnis zueinander in Axialrichtung des Bohrmeißels versetzt werden, so daß unterschiedliche Abschnitte der Lagerfläche mit unterschiedlichen Niveaus der die Wand des Bohrlochs bildenden Formation ineinandergreifen, wenn sich der Meißel dreht.
Zum Beispiel kann der Kalibrierbereich Abschnitte der Lagerfläche einschließen, die in der Axialrichtung eine Höhe haben, kleiner als die Gesamthöhe des Kalibrierbereichs, wobei benachbarte Abschnitte mit kleinerer Höhe im Verhältnis zueinander in der Axialrichtung versetzt werden.
In dem Fall, daß die Fluidkanäle auf der Vorderfläche des Bohrmeißels Kanäle einschließen, die sich bis hinauf zum Kalibrierabschnitt erstrecken, können die Abschnitte der Lagerfläche mit kleinerer Höhe allgemein in einer Flucht mit den Kanälen liegen. Die Umfangsausdehnung jedes Abschnitts mit kleineren Höhe kann wesentlich der Breite des Fluidkanals, mit dem er ausgerichtet wird, angrenzend an den Kalibrierbereich, gleichen.
Bei einem Bohrmeißel, bei dem die Bohrkronen an hochstehenden Blättern angebracht werden, die sich von der Mitte des Meißels nach außen zum Kalibrierbereich hin erstrecken, mag in jedem Fluidkanal zwischen benachbarten Blättern nur eine einzige Öffnung bereitgestellt werden. Dies kann angebracht sein, wenn der Meißel zum Beispiel acht Blätter hat, und die Fluidkanäle verhältnismäßig eng sind. Beim Bohren einer bestimmten Art von Formation, insbesondere weicherer Formationen, kann es jedoch vorteilhaft sein, einen leichter besetzten Bohrmeißel zu verwenden, der weniger Blätter und Bohrkronen hat, da dies das Problem des Meißelballens verringern kann. Ein solcher leichter besetzter Bohrmeißel mag zum Beispiel nur vier Blätter haben, getrennt durch Fluidkanäle, die eine Winkelausdehnung von beinahe 90° haben.
Bei einer solchen Konstruktion kann das Bereitstellen einer einzigen großen Öffnung und Passage im Meißelkörper, um den Spülschlamm von jedem Kanal am durchgehenden Kalibrierbereich vorbei dem Ringspalt zuzuführen, zu einer wesentlichen strukturellen Schwächung des Bohrmeißels und insbesondere des Kalibrierbereichs führen. Dementsprechend kann bei einem solchen Bohrmeißel jeder Kanal mit zwei oder mehr Öffnungen geformt werden, die mit gesonderten Durchgängen verbunden werden, die durch den Meißelkörper zum Ringspalt führen.
Die Düse zwischen den Öffnungen kann so ausgerichtet werden, daß sie Spülschlamm zum Kalibrierbereich des Bohrmeißels hin leitet, um eine wirksame Reinigung in diesem Bereich zu gewährleisten und ein Zusammenballen in weicheren Formationen zu verhindern.
Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung als Beispiel, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Seitenriß einer Form eines PDC-Bohrmeißels nach der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine Stirnansicht des in 1 gezeigten Bohrmeißels ist,
3 ein Seitenriß eines Bohrmeißels ähnlich dem in 1 und 2 gezeigten ist, die aber verschiedene alternative Konfigurationen für die Lagerfläche des Kalibrierbereichs zeigt,
4 eine ähnliche Ansicht ist, die eine alternative Konfiguration für die Lagerfläche des Kalibrierbereichs zeigt,
5 eine andere ähnliche Ansicht ist, die einen verjüngten Kalibrierbereich zeigt,
6 eine perspektivische Ansicht einer anderen Form eines PDC-Bohrmeißels nach der vorliegenden Erfindung ist, wobei der Meißel einen Führungsmeißelteil hat,
6A eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Version des in 6 gezeigten Bohrmeißels ist,
7 eine ähnliche perspektivische Ansicht eines bizentrischen Meißels ist, der einen Führungsmeißelteil hat,
8 eine Stirnansicht einer weiteren Form eines PDC-Bohrmeißels ist, die ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung zeigt,
9 eine ähnliche Ansicht noch einer weiteren Form eines PDC-Bohrmeißels nach der Erfindung ist,
10 eine schematische perspektivische auseinandergezogene Ansicht ist, die ein Verfahren zum Herstellen eines PDC-Bohrmeißels nach der Erfindung zeigt,
11 ein schematischer Halbschnitt durch einen PDC-Bohrmeißel ist, der ein alternatives Herstellungsverfahren zeigt,
12 ein schematischer Längsschnitt durch einen Stabilisator ist, der Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigt,
13 und 14 schematische Querschnitte durch Stabilisatoren sind, die alternative Konstruktionsverfahren zeigen,
15 ein Seitenriß ist, der die Verbindung eines PDC-Bohrmeißels und eines meißelnahen Stabilisatoren, beide nach der vorliegenden Erfindung, zeigt,
16, 17 und 18 perspektivische Ansichten weiterer Formen eines Bohrmeißels sind und 19 ein Seitenriß noch einer weiteren Form eines Bohrmeißels ist.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 und 2 schließt der Bohrmeißel einen Meißelkörper 10 ein. Acht Blätter 12 werden auf der Vorderfläche des Meißels geformt und erstrecken sich von der Achse des Meißelkörpers 10 weg zum Kalibrierbereich 20 hin nach außen. Der Kalibrierbereich 20 des Meißelkörpers 10 schließt eine wesentlich durchgehende Lagerfläche 22 ein, die um den gesamten Kalibrierbereich 20 geformt wird.
Nebeneinander längs jedes der Blätter 12 verläuft eine Vielzahl von Schneidstrukturen 16. Jede Schneidstruktur 16 kann ein vorgeformtes Schneidelement sein, hartgelötet an einen zylindrischen Träger, der in eins der Blätter 12 eingebettet oder anders angebracht wird. Das Schneidelement kann ein vorgeformter Preßling mit einer vorderen Schneidplatte aus polykristallinem Diamanten, bondiert an ein Wolframkarbidsubstrat, sein, wobei der Preßling an einen zylindrischen Wolframkarbidträger hartgelötet wird. Als Alternative dazu kann das Substrat jedes vorgeformten Preßlings eine ausreichende Länge in Axialrichtung haben, um unmittelbar im Blatt angebracht zu werden, so daß der zusätzliche Träger weggelassen werden kann.
Die Schneidelemente werden an der Nase des Bohrmeißels mit einem hohen Spitzenanschnitt von etwa 25° eingesetzt, der sich an der Schulter, angrenzend an den Kalibrierbereich 13, auf etwa 40° steigert, um das Reaktionsdrehmoment zu verringern. Der Kalibrierbereich 13 des Bohrmeißels hat außerdem einen gesteigerten Schutz, gewährleistet durch das Hinzufügen von Verstärkungsbohrkronen 18, die an jedem Blatt rückwärts von den zwei äußeren Hauptbohrkronen angeordnet werden. An Stelle von weiteren Bohrkronen 18 kann die Verstärkung an einigen oder allen der Blätter durch gewölbte Stollen gewährleistet werden, die aus einfachem Wolframkarbid bestehen können oder mit natürlichem oder synthetischem Diamanten imprägniert sein können.
Die Verstärkungsbohrkronen 18 können die gleiche Freilegung haben wie die Hauptbohrkronen 16, d.h., sie können um die gleiche Strecke von der Oberfläche des Blatts, an dem sie angebracht werden, vorstehen. Als Alternative dazu können sie eine höhere oder eine niedrigere Freilegung haben. Ähnlich kann der Spitzenanschnitt der Verstärkungsbohrkronen 18 der gleiche sein wie bei den Hauptbohrkronen 16, oder sie können einen größeren oder einen kleineren Spitzenanschnittwinkel haben.
Jede Verstärkungsbohrkrone 18 kann an der gleichen radialen Position angeordnet werden wie eine entsprechende Hauptbohrkrone 16, um so der in der Formation durch ihre zugeordnete Hauptbohrkrone geschnittenen Rille zu folgen. Jede Verstärkungsbohrkrone kann auf dem gleichen Blatt angeordnet werden wie ihre zugeordnete Hauptbohrkrone, oder sie kann auf einem anderen Blatt liegen.
Als Alternative dazu können die Verstärkungsbohrkronen 18 an radialen Positionen angeordnet werden, die zwischen den radialen Positionen der zugeordneten Hauptbohrkronen liegen, so daß jede Verstärkungsbohrkrone den zwischen den zwei durch die benachbarten Hauptbohrkronen geschnittenen Rillen vorstehenden Schram von der Formation entfernt. Dies verleiht dem Bohrloch eine glattere Oberfläche.
Zwischen benachbarten Blättern 12 werden Kanäle 14 definiert. Die Kanäle 14 zwischen den Blättern 12 führen nicht zu herkömmlichen Abfallschlitzen, die durch den Kalibrierbereich nach oben zum Ringspalt verlaufen. Statt dessen setzen sich die Kanäle 14 nach oben bis zur durchgehenden Lagerfläche 22 des Kalibrierbereichs fort. In jedem Kanal 14 wird angrenzend an den Kalibrierbereich eine geformte Öffnung 26 geformt, die in einen eingeschlossenen Durchgang 28 führt, der in Axialrichtung durch den Meißelkörper zu einem Auslaß 30 (siehe 1) verläuft, der bei Anwendung mit dem Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und der umgebenden Formation, welche die Wände des Bohrlochs bildet, verbunden ist.
Obwohl, wie es gezeigt wird, die durch den Meißelkörper 10 hindurchgehenden inneren Durchgänge 28 allgemein in Axialrichtung des Meißels verlaufen können, können sie ebenfalls so angeordnet werden, daß sie allgemein spiralförmig um die Längsachse verlaufen, so daß die Vorwärtsdrehung des Bohrmeißels dazu neigt, den Fluidstrom längs der Durchgänge zum Ringspalt nach oben zu steigern.
Innere Düsen 24 werden in der Oberfläche des Meißelkörpers 10 angebracht und werden ziemlich nahe der Rotationsmittelachse des Meißels angeordnet. Die inneren Düsen 24 werden so angeordnet, daß sie im Mittelbereich des Meißels eine wirksame Reinigung bieten, und werden außerdem so gerichtet, daß sie Spülschlamm längs der Kanäle 14 zwischen den Blättern 12 nach außen zuführen. Jede innere Düse 24 kann so ausgerichtet werden, daß sie Spülschlamm längs der beiden Fluidkanäle 14, mit denen sie verbunden ist, nach außen leitet. Jedoch kann jede Düse 24 vorteilhafterweise ausgerichtet werden, um Spülschlamm längs des Kanals an der Vorderseite ihres benachbarten längeren Blatts 12 zuzuführen, um so die an diesem Blatt angebrachten Bohrkronen 16 zu reinigen und zu kühlen.
In den Durchgängen 28 können dann zusätzliche äußere Düsen (nicht gezeigt) angeordnet werden, die an den Vorderseiten der kürzeren Blätter 12 angeordnet werden. Diese vier äußeren Düsen können zur äußeren Schulter des Bohrmeißels gerichtet werden, wo ein größerer Anteil an hydraulischer Energie erforderlich ist, um die auf Grund der Verstärkungsbohrkronen 18 gesteigerte Bohrkronenzahl in diesem Bereich zu reinigen. Jedoch erzeugt der Fluidstrom von den inneren Düsen 24 ein Druckgefälle, so daß Fluid von den äußeren Düsen ebenfalls nach innen zu den inneren Düsen 24, über die Hauptbohrkronen an den kürzeren Blättern, strömt, bevor es mit dem nach außen gerichteten Strom von den inneren Düsen 24 wieder nach außen strömt. Alle Düsen stehen in Verbindung mit einem axialen Mitteldurchgang (nicht gezeigt) im Schaft des Meißels, dem auf eine bekannte Weise durch den Bohrstrang nach unten Spülschlamm unter Druck zugeführt wird. Der Strom sowohl von den inneren Düsen 24 als auch von den äußeren Düsen strömt durch die Öffnungen 26 und die Durchgänge 28 durch den Meißelkörper zum Ringspalt.
Das Bereitstellen der durchgehenden Lagerfläche 22 um den gesamten Kalibrierbereich 20 des Bohrmeißels an Stelle des Bereitstellens von Abfallschlitzen im Kalibrierbereich steigert die Stabilität des Meißels im Betrieb wesentlich. Es verringert die Anfälligkeit des Meißels für Vibration, auf Grund des Fehlens von scharfen Kanten, Schneidelementen oder anderen Vorsprüngen im Kalibrierbereich, die sonst auf die umgebende Formation wirken könnten, um eine Vibration zu verursachen und unter manchen Umständen einen Meißelwirbel zu beginnen. Der Meißelwirbel ist eine Erscheinung, bei welcher der Bohrmeißel beginnt, in der zur Rotationsrichtung des Bohrmeißels entgegengesetzten Richtung eine Präzession um das Loch aufzuweisen. Ein Ergebnis des Meißelwirbels ist, daß sich einige Bohrkronen im Verhältnis zur Formation zeitweilig in der umgekehrten Richtung bewegen können, und dies kann zu einer Beschädigung der Schneidelemente führen.
Darüber hinaus ermöglicht das Bereitstellen einer durchgehenden Lagerfläche um den gesamten Umfang des Bohrmeißels, daß die axiale Länge des Kalibrierabschnitts 20, verglichen mit herkömmlichen Bohrmeißeln, verringert wird, während die gewünschte Gesamtoberfläche der Lagerfläche erhalten bleibt. Wie aus 1 zu ersehen ist, ist die Kalibrierlänge des Bohrmeißels beträchtlich geringer, als das normalerweise bei einem herkömmlichen PDC-Bohrmeißel der Fall ist. Die Verringerung der axialen Länge des Kalibrierbereichs verringert bei einem lenkbaren motorgetriebenen System ebenfalls die Entfernung vom Motor zum Meißel, wodurch die Richtungsansprache des Bohrmeißels verbessert wird, wenn das Lenken stattfindet.
Wie es zuvor erwähnt wurde, kann die durchgehende Lagerfläche 22 bei Anwendung im Ergebnis ihres wesentlich konstanten Anliegens an der umgebenden Formation Abnutzung und Verschleiß ausgesetzt sein. Der Bohrmeißel von 1 und 2 schließt eine Anordnung zum Verringern der Abnutzung und des Verschleißes der Lagerfläche 22 ein, während gleichzeitig die nützlichen Vorzüge einer durchgehenden Lagerfläche erhalten bleiben.
Die Kalibrierbereich-Lagerfläche 22 wird mit flachen Nebenkanälen 32 geformt, die in Axialrichtung des Kalibrierabschnitts verlaufen und mit Zwischenraum, vorteilhafterweise in gleichem Abstand, um die Lagerfläche 22 angeordnet werden. Wie aus 2 zu ersehen ist, ist jeder Nebenkanal 32 flach und hat eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als die Hauptfluidkanäle 14 zwischen den Blättern 12. Dementsprechend strömt der meiste längs der Hauptkanäle 14 strömende Spülschlamm durch die inneren Durchgänge 28 durch den Meißelkörper unmittelbar zum Ringspalt. Ein kleinerer Anteil des Fluids kann jedoch aus den Kanälen 14 und in die flachen Nebenkanäle 32 entweichen und folglich die Lagerfläche 22 schmieren und reinigen, um so den Verschleiß und die Abnutzung der Lagerfläche zu verringern.
Jeder Nebenkanal 32 hat eine Breite, die ein Mehrfaches der Tiefe des Kanals beträgt, und auf Grund dieser Flachheit kann jeder Nebenkanal 32 einen wirksamen Teil der Lagerfläche 22 bilden. Um diese Lagerwirkung zu steigern, können die Ränder der Nebenkanäle 22 sanft in die angrenzenden Oberflächen des Kalibrierbereichs 20 übergehen.
Obwohl gezeigt wird, daß die Nebenkanäle 32 in einer Richtung verlaufen, die allgemein parallel zur Längsachse des Bohrmeißels ist, können andere Anordnungen, bei denen die Kanäle zu dieser Achse geneigt sind, zum Beispiel spiralförmig um den Kalibrierbereich verlaufen, ebenfalls vorteilhaft sein. Außerdem kann das Reinigen und Schmieren der Lagerfläche 22 ebenfalls dadurch erreicht werden, daß die Nebenkanäle 32 als mit Zwischenraum angeordnete Aussparungen in der Lagerfläche 22 geformt werden, wobei solche Aussparungen nicht unmittelbar mit den Fluidkanälen 14 in der Vorderfläche des Meißelkörpers verbunden werden. 3 ist eine ähnliche Ansicht wie 1, die eine Zahl von alternativen Konfigurationen der Lagerfläche 34 des Bohrmeißels zum Gewährleisten einer Schmierung der Lagerfläche zeigt.
Wie bei der vorherigen Anordnung erstreckt sich die Lagerfläche 34 von 3 durchgehend um den gesamten Umfang des Kalibrierbereichs 20 des Bohrmeißels. Zum Zweck der Illustration wird die Lagerfläche 34 mit vier unterschiedlichen Konfigurationen in unterschiedlichen Bereichen derselben gezeigt. Es ist vorgesehen, daß in der Praxis die gleiche Konfiguration um die gesamte Lagerfläche angewendet würde, entweder durchgehend oder in umlaufend mit Zwischenraum angeordneten Bereichen. Es können jedoch in unterschiedlichen Bereichen der Lagerfläche unterschiedliche Konfgurationen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 3 kann die Lagerfläche 34 an Stelle der in 1 und 2 gezeigten breiten und flachen Nebenrillen 32 mit einer parallelen Reihe von engen und flachen Rillen geformt werden, wie es bei 36 angezeigt wird. Diese Rillen verlaufen allgemein parallel zur Längsachse des Bohrmeißels und können an ihren unteren Enden mit den Fluidkanälen 38 zwischen den Blättern an der unteren Vorderfläche des Bohrmeißels verbunden werden, so daß ein kleinerer Anteil des Fluids in den Hauptkanälen 38 in die engen Nebenkanäle 36 entweichen kann, um die Lagerfläche zu schmieren. Die Nebenkanäle 36 können jedoch, wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel, geschlossene Enden haben. In diesem Fall können sie Spülschlamm zurückhalten, der im Ergebnis von Unebenheit in der umgebenden Formation über den Kalibrierbereich des Bohrmeißels ausläuft, und folglich doch eine Schmierfunktion ausüben. Statt in Axialrichtung zu verlaufen, können die engen Nebenkanäle 36 geneigt werden, um so spiralförmig um die Lagerfläche 34 zu verlaufen, wie es bei 40 angezeigt wird.
Eine andere Konfguration wird bei 42 angezeigt, bei der die Lagerfläche 34 mit einer Anordnung von flachen rechteckigen Aussparungen 44 geformt wird, die in einer Schachbrettformation angeordnet werden. Wieder werden die flachen Aussparungen bei Anwendung auslaufenden Spülschlamm einfangen und die Schmierung der Lagerfläche 34 fördern. Als Alternative dazu können die Aussparungen eine Anordnung von flachen kreisförmigen Grundlöchern sein, wie es bei 46 angezeigt wird.
Bei einer alternativen Anordnung können wenigstens einige der engen Nebenkanäle 36 enge Öffnungen einschließen oder darstellen, die sich vollständig durch den Meißelkörper erstrecken, um sich in den angrenzenden eingeschlossenen Durchgang 37 zu öffnen, der innen durch den Meißelkörper hindurchgeht. In diesem Fall kann Spülschlamm zum Zweck der Schmierung der Lagerfläche aus den Durchgängen 37 durch die Öffnungen und unmittelbar in die Kanäle 36 nach außen auslaufen.
Die Abschnitte der Lagerfläche 22 zwischen den Nebenkanälen 32 oder 36 können einen durch Einsätze (nicht gezeigt) gewährleisteten Kalibrerschutz einschließen, der eine Mischung von Preßlingen aus polykristallinem Diamanten, deren Oberfläche wesentlich bündig mit der Lagerfläche 22 ist, und mit natürlichem oder synthetischem Diamanten imprägnierten Einsätzen, die ebenfalls wesentlich bündig mit der Lagerfläche 22 sind, umfassen kann.
4 zeigt eine Anordnung, bei der bestimmte Bereiche der Lagerfläche in der Längsrichtung eine Höhe haben, die kleiner ist als die Gesamthöhe des Kalibrierbereichs, wobei benachbarte Bereiche mit kleinerer Höhe im Verhältnis zueinander in der Längsrichtung versetzt werden. Unter Bezugnahme auf 4 umfaßt die Lagerfläche des Kalibrierbereichs 48 des Bohrmeißels acht Bereiche 50 der Lagerfläche, die sich von den äußeren Enden der Blätter 52 an der Vorderfläche des Bohrmeißels nach oben über das Kaliber erstrecken. Zwischen jedem Paar von benachbarten Bereichen 50 befindet sich ein Bereich 54 der Lagerfläche, die eine kleinere Höhe hat, so daß der Bereich unterhalb des Bereichs 54 der Lagerfläche und/oder der Bereich 58 oberhalb derselben die Form einer Aussparung 56 haben. Die Aussparungen 56 unterhalb der Lagerflächenbereiche 54 werden mit den entsprechenden Fluidkanälen 60 in der Vorderfläche des Meißels zwischen den Blättern 52 verbunden.
Die Lagerflächenbereiche 54 werden in unterschiedlichen Höhen am Kalibrierbereich angeordnet. Die Wirkung davon ist, daß die Lagerflächenbereiche 50 und 54 eine durchgehende Lagerfläche bilden, die um den gesamten Umfang des Kalibrierbereichs verläuft, um die Meißelstabilität und die Beständigkeit eines Meißels dieser Art gegen den Meißelwirbel zu steigern. Da die Bereiche 54 in unterschiedlichen Höhen angeordnet werden, werden die unterschiedlichen Bereiche 54 jedoch während jeder Umdrehung des Bohrmeißels unterschiedliche Teile der umgebenden Formation in Eingriff nehmen, was es weniger wahrscheinlich macht, daß harte Einschlüsse in der Formation an allen Bereichen der durchgehenden Lagerfläche ähnlichen Verschleiß verursachen werden. Selbstverständlich kann die in 4 gezeigte Anordnung von kleineren Lagerflächenbereichen mit jeder der in Verbindung mit 3 beschriebenen Oberflächenkonfigurationen verbunden werden.
Wie es zuvor erwähnt wurde, sind Bohrmeißel mit einer wesentlich durchgehenden Kaliberlagerfläche angesichts ihrer guten Richtungsansprache besonders geeignet zur Verwendung mit lenkbaren Bohrsystemen. Diese Eigenschaft kann durch Verjüngen des Profils der durchgehenden Lagerfläche, wie sie in 5 bei 62 angezeigt wird, gesteigert werden. Bei dieser Anordnung hat die Lagerfläche 62 eine allgemein kegelstumpfförmige Gestalt. Wieder kann die verjüngte Lagerfläche 62 ein beliebiges der anderen hierin beschriebenen Lagerflächenmerkmale einschließen. Die kegelstumpfförmige Gestalt kann so abgewinkelt werden, daß sie zum Bahnwinkel des abgelenkten Bohrlochs während des gelenkten Bohrens paßt. Zum Beispiel kann der Kegelwinkel des Kalibrierbereichs dem Winkelabstand der gebogenen Untereinheit von der Meißelfläche zum Biegungswinkel entsprechen. Dies erleichtert das Erreichen höherer Aufbaugeschwindigkeiten beim Richtbohren.
Aspekte der Erfindung können ebenfalls auf Bohrmeißel der Art angewendet werden, die einen vorderen Führungsmeißelabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Hauptteil des Meißels hat, so daß der Führungsmeißel zuerst eine Führungsbohrung erzeugt, die anschließend durch den folgenden Hauptteil des Bohrmeißels auf einen größeren Durchmesser ausgeräumt wird. Ein solcher Bohrmeißel wird in 6 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 6 umfaßt der Bohrmeißel einen Führungsmeißelteil 64, der allgemein dem Aufbau des unteren Endteils des in 1 und 2 gezeigten Bohrmeißels ähnelt. Das heißt, der Hauptkörper des Führungsmeißelteils hat acht mit Zwischenraum angeordnete, an seiner Vorderfläche geformte, Blätter 66, die zwischen benachbarten Blättern Kanäle 68 definieren. Bohrkronen 70 werden nebeneinander längs jedes der Blätter 66 angebracht.
Düsen 72 nahe der Achse des Meißels führen den Kanälen 68 Spülschlamm zu. Der Spülschlamm entweicht durch eingeschlossene Durchgänge 74, die in Axialrichtung durch den Hauptkörper des Führungsmeißelteils hindurchgehen, aus den Kanälen 68. Der Kalibrierbereich des Führungsmeißelteils wird mit einer durchgehenden Lagerfläche 76 geformt, die um den gesamten Kalibrierbereich verläuft.
Der ausräumende Hauptteil 78 des Meißels wird ähnlich mit umlaufend mit Zwischenraum angeordneten Blättern 80, die Bohrkronen 84 tragen, geformt. Zwischen den Blättern 80 werden Fluidkanäle 82 geformt. Der Spülschlamm aus den Düsen 72 am Führungsmeißelteil wird durch die Durchgänge 74 in die Kanäle 82 im Hauptmeißelteil geleitet, und weitere innere Durchgänge 86 angrenzend an die äußeren Enden der Fluidkanäle 82 am Hauptmeißelteil gehen innen durch den Körper des Hauptmeißelteils hindurch, um den Spülschlamm dem Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und der umgebenden Wand des Bohrlochs zuzuführen. In diesem Fall wird der Kalibrierbereich des Hauptmeißelteils 78 ebenfalls mit einer durchgehenden Lagerfläche 88 geformt, die um den gesamten Kalibrierbereich verläuft.
Ein Bohrmeißel der in 6 gezeigten Art kann außerordentlich stabil sein, weil die Stabilitätssteigerung, die normalerweise durch einen Führungsmeißelteil gewährleistet wird, durch die zusätzlichen stabilisierenden Wirkungen der durchgehenden Kaliberlagerflächen 76 und 88 erhöht werden kann. Wie es zuvor erwähnt wurde, ist jedoch ein möglicher Nachteil von Bohrmeißeln mit einer Lagerfläche, die um das gesamte Kaliber verläuft, daß die Lagerfläche während des Ein- und Ausfahrens in das Bohrloch und aus demselben mit den Wänden des Bohrlochs kollidieren kann und dies beim Einfahren in das Bohrloch zum Zusammenballen am Meißel führen kann. Um diese Möglichkeit zu verringern, kann die durchgehende Lagerfläche 88 am Hauptteil 78 des Bohrmeißels weggelassen werden, und die inneren Durchgänge 86 können durch herkömmliche nach außen zeigende Abfallschlitze ersetzt werden. In diesem Fall wird der Eingriff der durchgehenden umlaufenden Lagerfläche 76 am Führungsteil des Meißels mit der umgebenden Wand der Führungsbohrung allein eine gesteigerte Stabilität des Meißels gewährleisten, wird aber das Ein- und Ausfahren des Meißels in das Bohrloch und aus demselben nicht stören, da das Bohrloch einen größeren Durchmesser haben wird als der Führungsmeißelteil.
Eine solche Anordnung wird in 6A gezeigt, wo die Kanäle zwischen den Blättern am Hauptteil des Meißelkörpers zu herkömmlichen Abfallschlitzen 86A führen, die in Axialrichtung durch den Kalibrierbereich des Hauptmeißelteils hindurchgehen. Abgesehen von dieser Modifikation ist der Bohrmeißel allgemein ähnlich dem in 6 gezeigten, und entsprechende Elemente des Bohrmeißels tragen die gleichen Referenzzahlen.
Bei der modifizierten Version des in 6 gezeigten Bohrmeißels kann sich die Lagerfläche 76 am Führungsmeißelteil 64 nur um die eine Hälfte des Kalibrierbereichs des Führungsteils erstrecken, wobei die andere Hälfte des Kalibrierbereichs an Stelle der inneren Durchgänge 74 mit herkömmlichen Abfallschlitzen versehen wird. Ähnlich kann sich die durchgehende Lagerfläche 88 am Hauptmeißelteil 78 ebenfalls nur um die eine Hälfte des Kalibrierbereichs des Hauptmeißelteils erstrecken, z.B. um die Hälfte, die derjenigen Hälfte des Meißels diametral gegenüberliegt, an welcher der Führungsmeißelteil eine durchgehende Kaliberlagerfläche hat. Die Wirkung dieser Anordnung ist, daß eine Lagerfläche um den gesamten Umfang des Meißels, als Ganzes betrachtet, verläuft, aber die eine Hälfte der Lagerfläche auf dem Hauptteil des Meißels liegt und die andere Hälfte auf dem Führungsteil liegt. Diese Anordnung kann ebenfalls die Stabilitätsvorteile einer durchgehenden Lagerfläche gewährleisten, während sie die Möglichkeit verringert, daß das Kaliber während des Ein- oder Ausfahrens mit den Wänden des Bohrlochs kollidiert.
Es wird zu erkennen sein, daß zwischen dem Hauptmeißelteil und dem Führungsteil unterschiedliche Anteile der Lagerflächen verteilt werden können. Zum Beispiel kann der Hauptmeißelteil um sein Kaliber eine Zahl von Lagerflächensektionen haben, die sich in ihrer Winkelposition und Ausdehnung mit Lagerflächenbereichen abwechseln, die mit Zwischenraum am Kalibrierbereich des Führungsmeißelteils 64 angeordnet werden. Es wird zu erkennen sein, daß die Wirkung davon derjenigen der in 4 gezeigten Anordnung ziemlich ähnlich sein wird, bei der unterschiedliche Bereiche der Lagerfläche im Verhältnis zueinander in der Axialrichtung versetzt werden.
Die in Verbindung mit 6 beschriebenen Anordnungen können ebenfalls auf einen bizentrischen Meißel, wie er in 7 gezeigt wird, angewendet werden. In diesem Fall wird der Führungsmeißelteil 90 (der nur schematisch gezeigt wird, wobei die Bohrkronen, Düsen und inneren Durchgänge weggelassen werden) mit einer durchgehenden Kaliberlagerfläche 92 versehen, die um das gesamte Kaliber verläuft. Der Hauptmeißelteil 94 hat keine durchgehende Kaliberlagerfläche. Statt dessen wird er mit einer Reihe von mit Zwischenraum angeordneten Räumblättern 96 versehen, die auf eine beliebige geeignete Weise im Verhältnis zur Längsachse des Meißels exzentrisch angeordnet werden.
Die Räumsektion 94 hat eine maximale Querabmessung, die geringer ist als der Durchmesser des Bohrlochs, das durch die exzentrisch angeordneten Räumblätter 96 geschnitten wird, wenn sich der Bohrmeißel dreht, wobei der Meißel durch den Eingriff des Führungsmeißelteils 90 mit der Führungsbohrung im Bohrloch zentriert wird. Diese exzentrische Anordnung ermöglicht es, daß der Meißel durch einen Abschnitt eines vorhandenen Bohrlochs geführt wird, das einen Durchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser des Bohrlochs, das der Meißel selbst schneiden wird.
Spülschlamm, der durch die inneren Durchgänge (nicht gezeigt) im Führungsmeißelteil 90 hindurchgeht, strömt in die Kanäle 98 zwischen den Räumblättern 96 und in den Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und dem umgebenden Bohrloch. Das Bereitstellen der durchgehenden Lagerfläche 92 am Bohrmeißelteil 90 stabilisiert den gesamten Bohrmeißel und hemmt Vibrationen und das Starten des Meißelwirbels.
8 ist eine Stirnansicht einer weiteren Form eines Bohrmeißels. Der allgemeine Aufbau des Bohrmeißels ist ähnlich dem des in 1 und 2 gezeigten Bohrmeißels, wie es aus der Zeichnung zu ersehen ist, und seine Merkmale werden deshalb nicht detailliert beschrieben. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß die äußere umlaufende Lagerfläche 100 des Kalibrierbereichs nicht mit flachen Kanälen zum Schmieren der Oberfläche versehen wird, obwohl diese bereitgestellt werden könnten. Das Merkmal des in 8 gezeigten Bohrmeißels, das ihn hauptsächlich von dem von 1 und 2 unterscheidet, ist, daß sich die Wanddicken des Meißelkörpers, wie sie bei 102 angezeigt werden, zwischen der äußeren Lagerfläche 100 und den Wänden der inneren Durchgänge 104 um den Umfang des Meißels voneinander unterscheiden.
Bei den zuvor beschriebenen Anordnungen, bei denen der Meißel mit acht Blättern versehen wird, wird in jedem Kanal eine einzige Öffnung, die zu einem inneren Durchgang führt, bereitgestellt. Wie es zuvor erwähnt wurde, kann es jedoch beim Bohren einiger Arten von Formationen, insbesondere weichem Formationen, vorteilhaft sein, einen leichter besetzten Bohrmeißel zu verwenden, der weniger Blätter und Bohrkronen hat, da dies das Problem des Meißelballens verringern kann. 9 zeigt einen solchen leichter besetzten Bohrmeißel, bei dem nur vier Blätter 106 bereitgestellt werden, getrennt durch Kanäle 108, die eine Winkelausdehnung von ungefähr 90° haben. Bei einem solchen Aufbau würde es zu einer wesentlichen strukturellen Schwächung des Bohrmeißels und insbesondere des Kalibrierbereichs führen, falls im Meißelkörper eine einzige große Öffnung und Passage bereitgestellt würde, um dem Ringspalt aus jedem Kanal 108 am durchgehenden Kalibrierbereich 110 vorbei Spülschlamm zuzuführen.
Nach der in 9 gezeigten Anordnung wird deshalb jeder Kanal mit zwei Öffnungen 112 und 114 geformt, die mit gesonderten Durchgängen verbunden werden, die durch den Meißelkörper zum Ringspalt führen. Die größere der zwei Öffnungen, 114, wird angrenzend an den Kalibrierbereich und auf der Vorderseite eines entsprechenden Blatts 106 angeordnet, während die kleinere Öffnung 112 angrenzend an die Rückseite des vorhergehenden Blatts angeordnet wird. Der Abschnitt 116 des Meißelkörpers zwischen jedem Paar von Öffnungen 112, 114 kann folglich als eine Stützstrebe betrachtet werden, die dem Kalibrierbereich zwischen den mit weiten Winkelabstand angeordneten Blättern 148 Festigkeit in Radialrichtung verleiht.
Vier innere Düsen 118 leiten Spülschlamm jeweils längs der Vorderkanten der Blätter 106 nach außen. Es werden ebenfalls vier äußere Düsen 120 bereitgestellt und werden im Abschnitt 116 des Meißelkörpers zwischen den Öffnungen 112, 114 angebracht. Diese äußeren Düsen 120 werden so gerichtet, daß sie Spülschlamm allgemein zum Kalibrierabschnitt des Bohrmeißels hin leiten.
Es werden hierin ebenfalls Verfahren zum Herstellen von Bohrmeißeln, die eine wesentlich durchgehende Kaliberlagerfläche einschließen, offengelegt. Diese Verfahren können außerdem nicht nur für Meißel der zuvor beschriebenen Arten, sondern ebenfalls für andere Arten von Meißeln nützlich sein.
Ein solches Herstellungsverfahren wird in 10 schematisch illustriert. In diesem Fall wird der Bohrmeißelkörper, schematisch bei 122 angezeigt, mit Blättern 124, an denen Bohrkronen angebracht werden, und Fluidkanälen 126 zwischen den Blättern 124 geformt. Im Kalibrierbereich 128 des Meißelkörpers wird eine Reihe von umlaufend mit Zwischenraum angeordneten, in Axialrichtung verlaufenden Schlitzen 130 bereitgestellt, die Fortsetzungen der Fluidkanäle 126 zwischen den Blättern bilden. An der Schulter, welche die Verbindung zwischen den Blättern 124 und dem Kalibrierbereich 128 bildet, wird jedes Blatt mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden und hochstehenden Absatz 132 geformt, der einen ringförmigen Falz 34 bereitstellt.
Falls der Meißelkörper bei der Herstellung eines ansonsten herkömmlichen PDC-Bohrmeißels verwendet werden soll, kann an der Kalibererweiterung jedes Blatts 124 ein Kaliberlagerklotz angeschweißt oder auf eine andere Weise befestigt werden, der in den durch den hochstehenden Absatz 132 bereitgestellten Falz 134 paßt. Die Außenflächen der Lagerklötze stellen dann die Lagerflächen des Kalibrierbereichs bereit, und die Schlitze 130 zwischen den Klötzen wirken dann als herkömmliche Abfallschlitze.
Falls der Meißelkörper jedoch bei der Herstellung eines PDC-Bohrmeißels mit einer durchgehenden Kaliberlagerfläche verwendet werden soll, wird in den Umfangsfalzen 134 ein gesondert hergestellter Kalibriening 136 angebracht. Die Außenfläche des Kalibrienings 136 stellt die durchgehende Lagerfläche des Kalibrierbereichs bereit, die um den gesamten Kalibrierbereich verläuft und die Schlitze 130 im Meißelkörper schließt, ums sie so in eingeschlossene innere Durchgänge umzuwandeln. Der Meißelkörper und die äußeren Lagerflächen des Kalibrierrings 136 können jede beliebige der in dieser Beschreibung beschriebenen Charakteristika haben.
Der Kalibriening 136 kann dauerhaft am Meißelkörper 122 befestigt werden, zum Beispiel durch Schweißen. Er kann jedoch auch durch reversible Mittel, wie beispielsweise Bolzen oder Schrauben, befestigt werden, so daß der Kalibriening bei Bedarf leicht vom Meißelkörper entfernt werden kann. Der Zweck eines solchen Entfernens kann einfach zu Reparatur- oder Austauschzwecken sein, aber der Kalibriening kann auch entfernt werden, um den Bohrmeißel in einen herkömmlicheren Abfallschlitz-Bohrmeißel zu verwandeln. In diesem Fall würden die Kalibererweiterungen angrenzend an die hochstehenden Absätze 132 an denselben befestigte gekrümmte Lagerklötze haben, wie das zuvor beschrieben wurde.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren kann die durchgehende Kaliberlagerfläche integriert mit dem Meißelkörper geformt werden, der zuerst von der Lagerfläche nach innen massiv ist. Danach können die innen durch den Meißelkörper verlaufenden eingeschlossenen Durchgänge durch Bohren durch den massiven Meißelkörper oder durch ein anderes geeignetes spanendes oder formendes Verfahren geformt werden.
Wie es zuvor erwähnt wurde, kann der Meißelkörper spanend aus Stahl hergestellt werden, und der Kalibriening 136 kann ebenfalls spanend aus Stahl hergestellt werden. Die Außenflächen von entsprechenden Bereichen des Meißelkörpers und des Kalibrienings können auf eine beliebige herkömmliche Weise behandelt werden, um eine Verschleiß- und Abnutzungsfestigkeit zu gewährleisten. Zum Beispiel kann unter Anwendung gut bekannter Verfahren eine Hartmetallauflage auf eine beliebige der verletzlichen Flächen aufgebracht werden.
Als Alternative dazu kann der Meißelkörper, durch das gut bekannte Verfahren, bei dem ein Stahlkern in eine innen entsprechend der gewünschten Oberflächengestalt des Bohrmeißels gestaltete Form eingesetzt wird, aus einem massiven infiltrierten Matrizenmaterial hergestellt werden. Die Form wird um den Kern mit pulverförmigem Matrizenmaterial, wie beispielsweise pulverförmigem Wolframkarbid, gefüllt, das danach in einem Ofen mit einer geeigneten Metall-Legierung infiltriert wird, um so eine massive infiltrierte Matrize zu bilden.
Massives infiltriertes Matrizenmaterial kann für einige Verwendungen gewisse Vorteile gegenüber Stahl haben. Es kann jedoch gewisse Nachteile haben, wenn es verwendet wird, um einen vergleichsweise dünnen Kalibrierring der in 10 bei 136 gezeigten Art zu formen. Zum Beispiel kann ein vergleichsweise dünner Matrizen-Kalibrierring der gezeigten Art, obwohl er beständiger gegen Abnutzung ist als Stahl, bei Anwendung anfälliger für eine Stoßbeschädigung sein.
11 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Bohrmeißels, bei dem eine massive infiltrierte Matrize eingesetzt werden kann, um die äußere durchgehende Lagerfläche des Kalibrierbereichs bereitzustellen. Der Meißelkörper, der in 11 im Halbschnitt gezeigt wird, umfaßt einen vorderen Bereich 138, der einen mittleren Stahlkern 140 hat, an den der vordere Teil 138 des Meißelkörpers aus massivem infiltriertem Matrizenmaterial geformt wird. Das Matrizenmaterial stellt sowohl die Vorderfläche 142 des Meißels als auch die Blätter 144 bereit, an denen die Bohrkronen angebracht werden. Der Stahlkern 140 wird durch einen dazwischenliegenden röhrenförmigen Stahldorn 148 mit einem Stahl-Gewindeschaftabschnitt 146 des Meißels verbunden. Der Dom 148 befindet sich in Schraubgewindeeingriff sowohl mit dem Schaftabschnitt 146 als auch mit dem Kern 140 des vorderen Abschnitts des Meißels.
Der Kalibrierbereich des Meißelkörpers wird mit einem ringförmigen Ring 150 versehen, der ebenfalls aus massivem infiltriertem Matrizenmaterial geformt wird. Jedoch stellt der Ring 150, anders als bei der in 10 gezeigten Anordnung, nicht nur die äußere durchgehende Lagerfläche 152 des Bohrmeißels bereit, sondern hat außerdem eine ausreichende Dicke in Radialrichtung, um die eingeschlossenen Durchgänge 154 einzuschließen, die durch den Meißelkörper verlaufen, um Spülschlamm von den Fluidkanälen zwischen den Blättern 144 zum Ringspalt zu leiten. Der Matrizenkalibrierring 150 umschließt den Dorn 148 eng und stößt eng an die obere Fläche des Matrizenvorderabschnitts des Bohrmeißels an und wird, wie es bei 156 gezeigt wird, an den Kern 140, den Dorn 148 und den Schaftabschnitt 146 geschweißt.
12 zeigt schematisch das Aufbringen einer durchgehenden äußeren Lagerfläche 158 auf einen Stabilisator. Wie es gut bekannt ist, können Stabilisatoren in einen Bohrstrang eingesetzt werden. Stabilisatoren schließen allgemein einen hohlen Körper mit in Radialrichtung verlaufenden Blättern ein, die an ihren äußeren Enden mit Lagerflächen geformt werden, die an den Wänden des Bohrlochs anliegen. Die Blätter werden durch Schlitze getrennt, durch die Spülschlamm längs des Ringspalts am Stabilisator vorbeiströmen kann.
12 illustriert schematisch einen Stabilisator, bei dem die äußere Lagerfläche 158 des Stabilisatoren durchgehend ist und um den gesamten Umfang des Stabilisatoren verläuft, um so einen Kontakt von 360° mit der Wand des Bohrlochs herzustellen. Um den Durchgang von Spülschlamm vorbei am Stabilisator zu ermöglichen, wird das Innere des Stabilisatoren mit in Längsrichtung verlaufenden Durchgängen 160 versehen, die zwischen Öffnungen 162 und 164 an dem oberen bzw. dem unteren Ende des Stabilisatoren verlaufen. Der Stabilisator hat einen Mitteldurchgang 166 und zum Anschluß innerhalb des Bohrstrangs 168 an seinem oberen Ende einen Gewindeschaft 170 und an seinem unteren Ende eine Gewindefassung.
Der Stabilisator kann einteilig sein, wobei die umlaufend mit Zwischenraum angeordneten Durchgänge 160 in Axialrichtung durch das massive Material des Stabilisatoren gebohrt oder auf andere Weise geformt werden. Als Alternative dazu kann der Stabilisator einen mittleren röhrenförmigen Abschnitt 172, umgeben von einer mit den Durchgängen 160 geformten ringförmigen Hülse 174, umfassen.
Es kann eine auf dem Gebiet bekannte Spezialausrüstung erforderlich sein, um lange Durchgänge durch den einteiligen Körper des Stabilisatoren zu bohren, und um die Fertigung zu vereinfachen, kann die äußere Hülse des Stabilisatoren, wie es in 12 gezeigt wird, aus einem Stapel gesonderter Ringe 176 hergestellt werden. Jeder Ring 176 wird mit einer Zahl von Öffnungen 178 geformt, die in eine Ausrichtung kommen, um die inneren Durchgänge 160 zu bilden, wenn die Ringe gestapelt werden.
Um bei Anwendung ein Auslaufen zwischen den Ringen zu verhindern, können die Ringe in Axialrichtung gegen einen integrierten Widerlagerabschnitt 180 am unteren Ende der Mittelröhre 172 zusammengedrückt werden, während der obere Ring an die Röhre 172 geschweißt wird. Es können Stifte oder Keile 182 bereitgestellt werden, um eine relative Drehung zwischen den Ringen 176 zu verhindern, und die gesamte Außenfläche des Stabilisatoren kann mit einer Hartmetallauflage versehen werden. Die Hartmetallauflage kann auf die Außenumfänge der Ringe 176 aufgebracht werden, bevor sie zusammengebaut werden, um den Stabilisatorkörper zu bilden. Um die Paßgenauigkeit zu sichern, können die Ringe an ihrem Außendurchmesser oder an beiden Seiten geschliffen werden.
In 13 und 14 werden zwei alternative Verfahren zum Herstellen von Stabilisatoren gezeigt. Bei der Anordnung von 13 wird der Stabilisatorhauptkörper 184 mit einer Zahl von mit Zwischenraum angeordneten Längskanälen 186 um seinen Umfang geformt, wobei solche Kanäle leicht durch Spanen herzustellen sind. Danach werden die Kanäle durch entsprechende, über die offenen Seiten der Kanäle 186 geschweißte, längliche Metallplatten 188 verschlossen. Die Außenfläche des Stabilisatorkörpers wird danach auf Kreisform geschliffen, und es wird eine Hartmetallauflage 190 aufgebracht. Danach stellen die geschlossenen Kanäle 186 die für den Strom von Spülschlamm erforderlichen Durchgänge durch den Stabilisator bereit, und die Außenfläche des Stabilisatoren stellt die durchgehende Lagerfläche bereit.
Bei der in 14 gezeigten modifizierten Anordnung werden die Kanäle 192 im Stabilisatorhauptkörper 194 durch eine röhrenförmige Hülse 196 verschlossen, die in Schrumpfsitz auf den Stabilisatorkörper 194 gepaßt und danach durch Stifte 198 in Radialrichtung gegen eine Drehung festgehalten wird. Danach wird wie zuvor eine Hartmetallauflage 200 auf die Außenfläche des Stabilisatorkörpers aufgebracht.
12 zeigt einen Stabilisator zum Einbau in den Bohrstrang. Unter gewissen Umständen kann es jedoch wünschenswert sein, einen meißelnahen Stabilisator bereitzustellen, der wesentlich eine nahe Erweiterung des Kalibrierbereichs des Bohrmeißels bereitstellt. 15 zeigt eine solche Anordnung. Hier hat der Bohrmeißel 202 einen ähnlichen Aufbau wie der in 1 und 2 gezeigte Bohrmeißel und umfaßt eine Kaliberlagerfläche 204, die durchgehend um den gesamten Kalibrierbereich verläuft. Der meißelnahe Stabilisator 206 umschließt den oberen Teil des Bohrmeißels auf eine allgemein bekannte Art. Im vorliegenden Fall erstreckt sich die äußere Lagerfläche 208 des Stabilisatoren 206 jedoch ebenfalls durchgehend über 360° um den gesamten Umfang des Stabilisatoren und die inneren offenendigen Durchgänge 210, die mit den inneren Durchgängen 212 im Bohrmeißel 202 fluchten. Der Stabilisator 206 kann zum Beispiel durch ein beliebiges der in Verbindung mit 12 bis 14 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels, der allgemein dem in 1 und 2 gezeigten Bohrmeißel ähnelt, mit Ausnahme der Form des Kalibrierbereichs 214 des Meißels. In diesem Fall ist die Umfangsfläche des Kalibrierbereichs um den gesamten Umfang des Meißelkörpers wesentlich glatt und durchgehend. Jedoch schließt der Kalibrierbereich Kalibrierbohrkronen 216 ein. Jede Bohrkrone 216 wird so in einer Fassung 218 im Kaliber angebracht, daß die Schneidkante jeder Bohrkrone 216 nur eine sehr kurze Strecke von der Oberfläche des Kalibers vorsteht. Die Kalibrierbohrkronen 216 werden umlaufend in Paaren mit Zwischenraum um das Kaliber angeordnet. Jedes Paar von Kalibrierbohrkronen wird in dem Bereich des Kalibers angebracht, der eine Fortsetzung jedes der Blätter an der Vorderfläche des Meißels bildet, so daß die Bohrkronen vollständig durch den Meißelkörper gestützt werden. Die Kalibrierbohrkronen 216 können mit Kaliberschutzeinsätzen verbunden werden, die zum Beispiel in Fassungen im Kaliber aufgenommene Stollen umfassen können, deren Außenflächen wesentlich bündig mit der Lagerfläche des Kalibers sind. Solche Einsätze können Wolframkarbidstollen, mit natürlichem oder synthetischem Diamanten imprägnierte Stollen oder Preßlinge aus polykristallinem Diamanten umfassen, deren Diamantplanscheiben wesentlich bündig mit der Lagefläche des Kalibers sind.
Bei der Anordnung von 16 wird die von der Vorderfläche des Bohrmeißels entfernte Kante des Kalibrierbereichs 214 kegelstumpfförmig abgeschrägt, wie es bei 220 gezeigt wird, und am abgeschrägten Abschnitt des Kalibrierbereichs werden rückräumende Bohrkronen 222 angebracht.
Bei einer weiteren Modifikation, die in 17 gezeigt wird, wird der Kalibrierabschnitt 224 mit einer Vielzahl von umlaufend mit Zwischenraum angeordneten Schlitzen 226 um seinen Umfang geformt, deren jeder mit einem der durch den Meißelkörper hindurchgehenden Durchgänge 228 fluchtet und vollständig durch die Dicke des Kalibers läuft, um so in Verbindung mit dem Durchgang 228 zu stehen. Bei Anwendung kann durch jeden inneren Durchgang 228 zum Ringspalt nach oben strömender Spülschlamm durch den Schlitz 226 und auf die umlaufende Lagerfläche des Kalibers auslaufen, um so das Kühlen, Reinigen und Schmieren dieser Lagerfläche zu gewährleisten. Der in 17 gezeigte Bohrmeißel ähnelt ansonsten allgemein den in Verbindung mit 1 bis 5 beschriebenen Meißeln und kann ebenfalls ein beliebiges der in Verbindung mit diesen Abbildungen spezifisch beschriebenen Merkmale einschließen.
Bei allen in Verbindung mit 1 bis 5 beschriebenen Anordnungen har die Vorderfläche des Meißelkörpers eine Vielzahl von Blättern eingeschlossen, die sich von der Mittelachse des Bohrmeißels weg nach außen erstrecken, um so zwischen den Blättern nach außen verlaufende Kanäle zu definieren, wobei die Schneidelemente nebeneinander längs der Blätter angebracht werden und sich die inneren Durchgänge im Bohrmeißel von Öffnungen in den Kanälen aus erstrecken. Jedoch zeigt 18 eine Anordnung, bei der Schneidelemente 230 unmittelbar an der Vorderfläche 232 des Meißelkörpers angebracht werden.
Öffnungen 234 in der Vorderfläche führen in Durchgänge, die sich innen durch den Meißelkörper zu Auslässen erstrecken, die mit dem Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und den umgebenden Wänden des Bohrlochs verbunden werden, wie es zuvor beschrieben wurde. Das Bereitstellen solcher Durchgänge für den Strom von Spülschlamm ermöglicht das Bereitstellen einer Kaliberlagerfläche 236, die um den gesamten Umfang des Bohrmeißels verläuft. Auf herkömmliche Weise werden Düsen (nicht gezeigt) bereitgestellt, um der Vorderfläche des Bohrmeißels Spülschlamm zum Kühlen und Reinigen der Bohrkronen zuzuführen. In 18 werden die Schneidelemente 230 in Reihen nebeneinander angeordnet gezeigt, die von der Mitte der Vorderfläche des Bohrmeißels weg nach außen verlaufen. Jedoch könnten die Bohrkronen zufällig über die Vorderfläche des Bohrmeißels verteilt angebracht werden.
19 zeigt eine Modifikation der in Verbindung mit 5 beschriebenen Anordnung, bei der die äußere Umfangsfläche 238 des Kalibrierbereichs, statt kegelstumpfförmig verjüngt zu sein, einen teilkreisförmigen Querschnitt hat, um so allgemein tonnenförmig zu sein. Diese Anordnung erleichtert das Kippen des Bohrmeißels im Bohrloch und steigert so die Richtungsansprache des Bohrmeißels, wenn er beim Richtbohren verwendet wird.

Claims

Rotary-Bohrmeißel zum Verbinden mit einem Bohrstrang und zum Bohren von Bohrlöchern in unterirdischen Formationen, der folgendes umfaßt: einen Meißelkörper (10) mit einer Vorderfläche und einem Kalibrierbereich (20), eine Vielzahl von Schneidelementen (16), angebracht an der Vorderfläche, eine Vielzahl von Düsen (24), angebracht im Meißelkörper (10), um der Oberfläche des Meißelkörpers zum Reinigen und Kühlen der Schneidelemente Spülschlamm zuzuführen, wenigstens eine Öffnung (26), angeordnet in der Vorderfläche, wobei die Öffnung (26) zu einem Durchgang (28) führt, der zwischen der Öffnung und einem Auslaß innen durch den Meißelkörper hindurchgeht, und eine Lagerfläche (22), angeordnet an einem Abschnitt des Kalibrierbereichs in Radialrichtung von der Öffnung nach außen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (22) im Querschnitt gesehen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des Meißels enthält, bogenförmig ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Vorderfläche des Meißelkörpers mit einer Vielzahl von Blättern (12) versehen wird, wobei die Schneidelemente (16) längs jedes Blatts angebracht werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Lagerfläche (22) um den gesamten Kalibrierbereich verläuft und mit wenigstens einer Öffnung (36) geformt wird, die mit dem Durchgang (28) verbunden wird, der innen durch den Meißelkörper hindurchgeht.
Bohrmeißel nach Anspruch 3, bei dem die Lagerfläche mit einer Vielzahl von Öffnungen (36) versehen wird, die mit dem gleichen Durchgang (28) verbunden werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 3, bei dem eine Vielzahl der Durchgänge (28), die innen durch den Meißelkörper hindurchgehen, bereitgestellt wird, und bei der die Lagerfläche mit einer Vielzahl von Öffnungen (36) geformt wird, von denen wenigstens eine mit jedem der Durchgänge durch den Meißelkörper verbunden wird.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem jede Öffnung (36) in der Lagerfläche die Form eines länglichen Schlitzes (36) hat, der allgemein in Längsrichtung des Kalibrierabschnitts verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem der Meißelkörper eine Vielzahl von in der Vorderfläche desselben geformten Fluidkanälen (14) hat und eine Vielzahl von Nebelkanälen (32) in der Lagerfläche geformt wird, um den Fluidstrom über die Fläche zu fördern, wobei wenigstens einige der Nebenkanäle (32) in Verbindung mit den Fluidkanälen (14) in der Vorderfläche des Meißelkörpers stehen und jeder der Nebenkanäle (32) eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche hat als der Kanal (14), mit dem er verbunden wird, wodurch der Nebenkanal (32) nur einen kleineren Anteil des Fluidstroms längs des Fluidkanals (14) aufnimmt.
Bohrmeißel nach Anspruch 7, bei dem wenigstens einige der Nebenkanäle (32) in einer Richtung, die allgemein parallel zur Längsachse des Bohrmeißels ist, über die Lagerfläche verlaufen.
Bohrmeißel nach Anspruch 7, bei dem wenigstens einige der Nebenkanäle (40) allgemein spiralförmig um die Lagerfläche verlaufen.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Nebenkanäle (32) flach sind, wobei die Breite jedes Kanals ein Mehrfaches der Tiefe des Kanals beträgt.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Ränder der Kanäle (32) sanft in die angrenzende Lagerfläche des Kalibrierbereichs übergehen, um so den Reibeingriff zwischen den Rändern der Kanäle und der Formation auf ein Minimum zu verringern.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Kanäle (32) mit wesentlich gleichem Zwischenraum um die Kalibrierfläche angeordnet werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem in der Lagerfläche eine Vielzahl von mit Zwischenraum angeordneten Aussparungen (44, 46) gebildet wird.
Bohrmeißel nach Anspruch 13, bei dem die Aussparungen (46) allgemein von kreisförmiger Gestalt sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 13, bei dem die Aussparungen (44) allgemein von rechteckiger Gestalt sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 15, bei dem die Kalibrierbereich-Lagerfläche wenigstens einen Bereich einschließt, in dem eine Anordnung von rechteckigen Aussparungen (44) auf eine Schachbrettweise angeordnet wird.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem wenigstens einige der Aussparungen (44) in einer Position angeordnet werden, in der sie mit einem Fluidkanal in der Vorderfläche des Bohrmeißels verbunden werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Lagerfläche an unterschiedlichen Umfangspositionen am Kaliber angeordnete Abschnitte (54) einschließt, die an unterschiedlichen Positionen in Axialrichtung des Bohrmeißels angeordnet werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 18, bei dem der Kalibrierbereich Abschnitte der Lagerfläche einschließt, die in der Axialrichtung eine Höhe haben, kleiner als die Gesamthöhe des Kalibrierbereichs, wobei benachbarte Abschnitte mit kleinerer Höhe im Verhältnis zueinander in der Axialrichtung versetzt werden.
Bohrmeißel nach Anspruch 19, bei dem die Vorderfläche des Bohrmeißels Fluidkanäle einschließt, die sich bis hinauf zum Kalibrierabschnitt erstrecken, und die Abschnitte der Lagerfläche mit kleinerer Höhe allgemein in einer Flucht mit den Kanälen liegen.
Bohrmeißel nach Anspruch 20, bei dem die Umfangsausdehnung jedes Abschnitts mit kleineren Höhe wesentlich der Breite des Fluidkanals, mit dem er ausgerichtet wird, angrenzend an den Kalibrierbereich, gleicht.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem der eingeschlossene Kanal allgemein spiralförmig durch den Meißelkörper verläuft.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Vorderfläche des Meißelkörpers mit einer Vielzahl von Fluidkanälen geformt wird, wobei in wenigstens einem der Kanäle wenigstens zwei umlaufend mit Zwischenraum angeordnete Öffnungen bereitgestellt werden, deren jede in einen eingeschlossenen Durchgang führt, der innen durch den Meißelkörper läuft, und bei dem eine der Düsen allgemein zwischen den Öffnungen im Meißelkörper angebracht wird.
Bohrmeißel nach Anspruch 23, bei dem die Düse zwischen den Öffnungen so ausgerichtet wird, daß sie Spülschlamm zum Kalibrierbereich des Bohrmeißels hin leitet.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem der Kalibrierbereich des Bohrmeißels einen ringartigen äußeren Abschnitt des Meißelkörpers umfaßt, der die Außenwände der eingeschlossenen Durchgänge, die innen durch den Meißelkörper laufen, definiert, und bei dem dieser ringartige äußere Abschnitt bogenförmige Bereiche mit unterschiedlichen Dicken umfaßt.
Bohrmeißel nach Anspruch 25, bei dem sich wenigstens einige der Fluidkanäle in der Vorderfläche des Meißelkörpers bis hinauf zum Kalibrierbereich erstrecken, und bei dem jeder der bogenförmigen Bereiche mit unterschiedlicher Dicke des ringartigen Abschnitts des Meißelkörpers allgemein in einer Flucht mit einem anderen Fluidkanal liegt.