DE3939245A1

DE3939245A1 - Vorrichtung und verfahren zum einbringen von bohrloechern in erdformationen

Info

Publication number: DE3939245A1
Application number: DE3939245A
Authority: DE
Inventors: Jesse L Holster
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1990-05-31
Also published as: GB2225797A; BE1003088A5; SE8903976D0; GB8926837D0; IT8948606A1; IT8948606A0; US4892159A; JPH02197691A; IT1237070B; BR8906015A; SE8903976L

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ein bringen von Bohrlöchern in Erdformationen und hierbei im beson deren einen Bohrkopf, der in besonderem Maße zur Durchführung des Bohrverfahrens geeignet ist.

Bei modernen Verfahren zum Einbringen von Bohrlöchern in Erd formationen zur Förderung von Öl und/oder Gas sowie zur Nützung geothermischer Energie werden typischerweise Rotationsbohrtech niken eingesetzt. Beim Rotationsbohren wird ein Bohrloch erzeugt, indem man einen rohrförmigen Bohrstrang in Rotation versetzt, an dessen unterem Ende ein Bohrkopf gehalten ist. Bei fort schreitender Bohrung werden zusätzliche Rohrelemente an den Bohrstrang angesetzt, um das Bohrloch zu vertiefen. Während des Bohrvorganges wird ein unter Druck stehendes Fluid konti nuierlich in den Bohrstrang injiziert. Dieses Fluid dringt durch eine oder mehrere Düsen, die im Bohrkopf vorgesehen sind, in das Bohrloch ein und kehrt über den ringförmigen Kanal zwischen dem Bohrstrang und den Wänden des Bohrloches zurück. Das Bohrfluid trägt die Gesteinsbrocken und die Trübe aus dem Bohrloch heraus und dient gleichzeitig zum Kühlen und Schmieren des Bohrkopfes.

Ein Grundtyp für einen Gesteinsbohrer ist ein sich drehender Bohrkopf. Einige dieser Bohrköpfe tragen Stahlkanten oder ge härtete Schneidflächen, wobei jedoch primär ein Hauptkörper vorgesehen ist, in dessen äußerer Oberfläche extrem harte Schneidelemente eingebettet sind. Diese Schneidelemente be stehen typischerweise aus natürlichem oder synthetischem Diamant. Während der Bohrkopf gedreht wird, streichen die Schneidelemente am Boden und den Seiten des Bohrloches entlang, um das Gestein herauszuschneiden.

Bei einem anderen Grundtyp eines rotierenden Bohrers handelt es sich um Rollenmeißel, wobei die Rollenzähne derart am Bohr kopf gelagert sind, daß sie sich drehen, während der Bohrkopf selbst gedreht wird. Die Winkel der Kegel und Lagerstifte, an denen sie gehalten sind, sind derart ausgerichtet, daß der Kegel im wesentlichen am Boden des Bohrloches abrollt, und zwar mit einem kontrollierten Schlupf. Bei einem Typ eines solchen Rollen meißels ist ein einstückiger Körper aus gehärtetem Stahl vorge sehen, auf dessen Umfang Zähne ausgebildet sind. Bei einem an deren Typ ist ein Stahlkörper vorgesehen mit einer Mehrzahl aus Einsätzen aus Wolframkarbid oder einem ähnlichen Material hoher Härte, die aus der Oberfläche in der Art von Zähnen heraus ragen. Während die Rollenmeißel auf dem Boden des zu bohrenden Loches abrollen, üben die Zähne bzw. die Karbideinsätze einen hohen Druck auf das Gestein aus und brechen es auf. Die Schneid wirkung eines Rollenmeißels ist typischerweise eine Kombination von Zermahlen, Ausschneiden und Kratzen. Die Trübe oder das Bohrklein von einem Rollenmeißeleinsatz ist typischerweise ein Gemisch mäßig großer Brocken und feiner Partikel.

Beim Bohren des Gesteins mit einem Kegelrollenmeißel ist die Brechwirkung auf die Belastung der Zähne durch das Gesteinsbett begrenzt aufgrund der Gesteinsmatrix, die das Bohrloch umgibt. Ein Nachgeben des Gesteins wird in einem starken Ausmaß ver hindert durch die Bewegungseinschränkung, die sich aus dem um gebenden Gestein ergibt. Dementsprechend ist es bei Bohrvor gängen üblich, daß kleine Risse in dem Gestein erzeugt werden, die zur Oberfläche des Bohrlochbodens zurückkehren, so daß kleine Bröckchen erzeugt werden statt eines tiefen Eindringens in das Gestein selbst. Dementsprechend neigt ein Bohrzahn eines üblichen Bohrkopfes, der auf die Gesteinsoberfläche drückt, dazu, kleine Risse zu erzeugen, die sich nach unten fortpflanzen, wo bei jedoch aufgrund des Widerstandes gegenüber einem Bruch, der durch die umgebende Gesteinsmatrix ausgeübt wird, ein Riß dem Weg des geringsten Widerstandes folgt und an der Oberfläche des Bodens des Bohrloches austritt, so daß kleine Brocken gebildet werden.

Die US-PS 30 55 434 (Edwards) beschreibt eine Kombination von Drehmeißel- und Kegelrollenmeißel, wobei die seitliche Zwangs führung auf einen zu bohrenden Kern aufgehoben wird. Die Dreh meißel-Komponente schneidet eine einzelne ringförmige Kerbung aus, die einen Kern bildet, der innerhalb eines hohlen Körper elementes aufgenommen wird und dort von einem Mehrkegelrollen meißel zermahlen wird, der sich innerhalb des hohlen Körper elementes befindet. Angrenzend an den Mehrkegelrollenmeißel sind Fenster vorgesehen, um die Trübe und das Bohrklein, die durch die Zerstörung des Kernes gebildet werden, abzuführen. Dieser Bohrkopfaufbau führt jedoch zu einer rapiden Abnutzung und einem Versagen des Drehbohrers, da das Bohrfluid durch die Fenster austritt, was zu einem unzureichenden Fluidstrom führt, der die Drehbohr-Komponente kühlt.

Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von Bohrlöchern in Erdformationen zur Verfügung zu stellen, die durch den Einsatz eines Bohrkopfes in der Lage sind, das Gestein rasch und wirkungsvoll zu zerkleinern. Das Bohrklein bzw. die Trübe soll problemlos aus dem Bohrloch abzuführen sein unter gleichzeitiger Kühlung der Schneidelemente. Schließlich soll sich die Bohrgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen merklich verbessern lassen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kenn zeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsicht lich bevorzugter Ausgestaltungen auf die Merkmale der Unteran sprüche verwiesen wird.

Gemäß der Erfindung lassen sich konzentrische ringförmige Ausker bungen am Bohrlochboden ausbilden, wodurch sich die Bohrgeschwin digkeit beträchtlich erhöht. Der Bohrkopf umfaßt die folgenden grundlegenden Merkmale: Einen Bohrkopfkörper mit einem unteren Ende, an welchem eine ringförmige Bohrkrone ausgebildet ist; ein inneres Bohrelement, das sich konzentrisch innerhalb des Bohr kopfkörpers befindet mit einem unteren Ende, an welchem eine ringförmige Bohrkrone ausgebildet ist; eine erste Mehrzahl von Rotationsbohrelementen, die zwischen dem Bohrkopfkörper und dem inneren Bohrelement angeordnet sind, wobei die tiefsten Schneid kanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der ringförmigen Bohr elemente des Bohrkopfkörpers und des inneren Bohrelementes an geordnet sind, sowie eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrele menten, die derart innerhalb des inneren Bohrelementes gehalten sind, daß sich die tiefste Schneidkante oberhalb der tiefsten Schneidkante der ringförmigen Bohrkrone des inneren Bohrelementes befindet. Bei einer Drehung des Bohrkopfes schneiden die ring förmigen Bohrkronen des Bohrkopfkörpers konzentrische ringförmige Ausnehmungen vor den Rotationsbohrelementen aus. Die Rotations bohrelemente zerbrechen dann das Material, das sich zwischen und innerhalb der ringförmigen Ausnehmungen befindet, rasch und führen dies ab, und zwar in einer wirkungsvollen Weise, da das Material zwischen den Auskerbungen seitlich nicht länger abgestützt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Bohrkopf am unteren Ende des Bohrkopfkörpers ein inneres Bohrelement, das als ringförmige kerbschneidende Bohrkrone aus gebildet ist mit einer im wesentlichen sägezahnförmigen Ausge staltung, eine Mehrzahl von Schneidplatten, deren Schneidkanten mit Diamanten besetzt sind, sowie Auslaßdurchlässe jeweils zwischen benachbarten Kronenzähnen. Drei im Abstand voneinander angeordnete Schneidrollen sind zwischen dem Bohrkopfkörper und dem inneren Schneidelement angeordnet. Drei im Abstand vonein ander angeordnete Kegelrollenmeißel befinden sich innerhalb des inneren Bohrelementes.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bohrkopfes,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 3,

Fig. 3 eine Endansicht des in Fig. 1 dargestellten Bohrkopfes,

Fig. 4 die Draufsicht auf das in Fig. 5 dargestellte Profil entlang der Schnittlinie 4-4 unter Darstellung der inneren und äußeren ringförmigen Ausnehmungen, die durch den erfindungsgemäßen Bohrkopf eingebracht wurden,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Bodenbereich eines Bohr lochs, das durch den erfindungsgemäßen Bohrkopf einge bracht wurde,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der ringförmigen Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und des inne ren Bohrelementes,

Fig. 7 eine Seitenteilansicht einer anderen Ausführungsform der ringförmigen Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und des inneren Bohrelementes,

Fig. 8 einen Vertikalschnitt entlang der Schnittlinie 8-8 der Fig. 9 einer weiteren Ausführungsform der ringförmigen Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und des inneren Bohrelementes,

Fig. 9 eine Endansicht der ringförmigen Bohrkrone gemäß der Fig. 8 unter Wiedergabe anderer Ausführungsformen der Rotationsbohrelemente und

Fig. 10 eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Er findung unter Darstellung mehrerer Ringausnehmungs schneidelemente.

Diese Zeichnungen sollen in keiner Weise die Erfindung einschrän ken, sondern lediglich verschiedene bevorzugte Ausführungsformen gemäß der Erfindung erläutern.

Der in Fig. 1 wiedergegebene Bohrkopf 10 umfaßt die folgenden Elemente: Einen Bohrkopfkörper 12, an dessen unterem Ende eine ringförmige Bohrkrone 16 zum Ausschneiden einer äußeren ring förmigen Ausnehmung ausgebildet ist; ein inneres Bohrelement 24, das sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers 12 befindet und ebenfalls an seinem unteren Ende eine ringförmige Bohrkrone 26 zum Ausschneiden einer inneren ringförmigen Auskerbung trägt; Rotationsbohrelemente 28, die zwischen dem Bohrkopfkörper 12 und dem inneren Bohrelement 24 derart angeordnet sind, daß ihre tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkronen 16 und 26 befinden, um das Material zwischen der äußeren und der inneren kreisförmigen Auskerbung herauszunehmen, sowie Rotationsbohrelemente 32, die innerhalb des inneren Bohr elementes 24 derart angeordnet sind, daß sich die tiefsten Schneid kanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der ringförmigen Bohr krone 26 befinden, um das von der inneren ringförmigen Ausnehmung umgebende Material herauszunehmen.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Bohrkopf 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Bohrkopf 10 umfaßt einen Bohrkopfkörper 12, der an seinem oberen Ende ein Verbindungselement 14 in der Form eines üblichen Gewindestiftes trägt zur Befestigung am unteren Ende eines hohlen Rohrstranges. Es steht jedoch im Einklang mit der Erfindung, jede geeignete Befestigungseinrichtung vorzusehen. Der Bohrkopfkörper 12 ist an seinem unteren Ende mit einem ringförmigen Schneidelement 16 in der Form einer Ringkrone versehen, die eine allgemein sägezahnförmige Ausgestaltung besitzt, wobei eine Mehrzahl von Schneidplatten 18 vorgesehen ist, die mit Diamanten besetzt ist, wobei es sich um natürliche oder synthetische Diamanten handeln kann, die in die Schneidflächen der Krone 16 eingebettet sind, während Auslaßdurchlässe 20 zwischen benachbarten Zähnen vorge sehen sind. Der Bohrkopfkörper 12 trägt außerdem eineMehrzahl von Nuten oder Trübstoffschlitzen 22, die sich in Längsrichtung über die Ringkrone 16 entlang des oberen Endes des Bohrkopfkör pers 12 erstrecken. Die Kombination der Auslaßdurchlässe 20 und der im Abstand voneinander angeordneten Nuten 22 stellt sicher, daß das Bohrklein und das Bohrfluid in angemessener Weise aus dem Bereich unterhalb des Bohrkopfes 10 abgeführt werden können. Der Bohrkopfkörper 12 kann außerdem mit Schleißplatten 25 versehen sein in einer herkömmlichen Weise, um die Abnutzung des Bohrkopfkörpers zu verringern, der aus Stahl oder einem an deren geeigneten harten Material besteht. Die Schleißplatten 25 können Wolframkarbideinsätze umfassen, die im Preßsitz in Boh rungen auf der Oberfläche des Bohrkopfkörpers 12 eingebracht sind, und zwar zwischen den Trübstoffschlitzen 22, so daß die Schleiß platten 25 glatt mit der Oberfläche des Bohrkopfkörpers 12 ab schließen.

Der Bohrkopf 10 umfaßt außerdem ein inneres Bohrelement 24, das sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers 12 befindet. Das innere Bohrelement 24 ist mit seinem oberen Ende an den Bohrkopf körper 12 angeschlossen. Die Verbindung mit dem Bohrkopfkörper kann in irgendeiner Weise vollzogen werden einschließlich einer Verschweißung, einer Verschraubung oder einer einstückigen Formung des Bohrkopfkörpers mit dem inneren Bohrelement. Das innere Bohr element 24 ist an seinem unteren Ende mit einem ringförmigen Schneidelement 26 in der Form einer Ringkrone versehen, die eine allgemein sägezahnförmige Ausgestaltung besitzt, wobei eine Mehrzahl von Schneidplatten 19 vorgesehen ist, die mit Diamanten versehen sind, und zwar natürlichen oder synthetischen Diamanten, die an den Schneidflächen der Bohrkrone 26 gehalten sind und Auslaßdurchlässe 21 definieren zwischen jeweils benach barten Kronenzähnen.

Die Schneidplatten 18 und 19 können aus kompaktem Polykristallin diamant (PDC) hergestellt sein, indem man rechteckige Formen aus PDC-Scheiben ausschneidet, wie sie handelsüblich von der Firma General Electric oder DeBeers verfügbar sind. Die Schneidplatten sind so ausgebildet, daß sie in irgendeiner herkömmlichen Weise an den Schneidflächen befestigt werden können.

Der Bohrkopf umfaßt weiterhin drei im Abstand voneinander ange ordnete Rotationsbohrelemente 28 in der Form von Schneidrädern, die zwischen dem Bohrkopfkörper 12 und dem inneren Bohrelement 24 gelagert sind und die relativ hierzu rotieren können. Anstelle von Lagern können auch herkömmliche andere Befestigungseinrichtungen wie Reibmuffen- oder Rollenlager vorgesehen sein. Die Rotations bohrelemente 28 sind mit Schneidzähnen 30 versehen, die aus Wolframkarbid oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein können, wobei die Bohrelemente so positioniert sind, daß sich der tiefste Schneidzahn oberhalb der tiefsten Schneidkante der Zähne der Bohrkronen 16 und 26 befindet, jedoch unterhalb der obersten Kante der Auslaßdurchlässe 20. Diese Positionierung ermöglicht eine Abführung angrenzend an die Schneidzähne 30, so daß das Bohrklein und die Gesteinsbrocken, die durch die Zähne gebildet werden, leicht aus der Umgebung um und unterhalb der Bohrelemente 28 austreten und durch das Bohrfluid zur Oberfläche geführt werden können. Der Abstand der Schneidzähne 30 auf den Rotationsbohrelementen 28 kann in einer herkömmlichen Weise variiert werden, um ein Spurlaufen zu vermindern und den Schneid wirkungsgrad zu maximieren, indem sichergestellt wird, daß die gesamte Fläche der Elemente 28 zum Schneideinsatz kommt. Der Winkel zwischen der Drehachse eines jeden Rotationsbohrelementes 28 und einer Radiallinie senkrecht zur Bohrkopflängsachse im Befestigungspunkt eines jeden Rotationsbohrelementes kann eben falls variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und den Schneidwirkungsgrad zu maximieren. Die Außenkontur der Rotationsbohrelemente 28 kann ebenfalls variiert werden zur Anpassung an den Befestigungswinkel, so daß sich die Rotations bohrelemente 28 entsprechend zu drehen vermögen.

Der Bohrkopf 10 umfaßt außerdem drei im Abstand voneinander angeordnete Rotationsbohrelemente 32 in der Form von Kegel rollenmeißeln, die innerhalb des inneren Bohrelementes 24 ge lagert sind und sich relativ hierzu zu drehen vermögen. Es können auch hier andere herkömmliche Befestigungseinrichtungen Verwen dung finden. Die Rotationsbohrelemente 32 sind mit einer Mehr zahl von Schneidkarbid-Einsatzzähnen 34 versehen, die aus der Oberfläche der Rotationsbohrelemente 32 herausragen und derart positioniert sind, daß die tiefsten Schneidzähne sich oberhalb der untersten Kanten der Zähne der Bohrkrone 26 befinden, jedoch unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe 21. Der Ab stand der Zahneinsätze 34 kann ebenfalls in herkömmlicher Weise variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und den Schneid wirkungsgrad zu maximieren. Darüber hinaus kann der Halterungs winkel der Rotationsbohrelemente 32 in herkömmlicher Weise variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und den Schneid wirkungsgrad zu maximieren. Eine bevorzugte Anordnung der Rota tionsbohrelemente 32 ist in den Fig. 8 und 9 wiedergegeben.

Die Fig. 4 und 5 erläutern den Boden eines Bohrloches 47, in welchem die Schneidkrone 16 eine äußere ringförmige Ausnehmung 46 und die Bohrkrone 26 eine innere kreisförmige Ausnehmung ausge schnitten hat, die sich konzentrisch innerhalb der äußeren ring förmigen Ausnehmung 46 befindet durch Drehung des Bohrkopfes 10. Da die tiefsten Schneidkanten der Rotationsbohrelemente 28 und 32 sich oberhalb der Zähne der Bohrkronen 16 und 26 befinden, werden die ringförmigen Ausnehmungen 46 und 48 in das Boden material 49 eingebracht, bevor die Bohrelemente 28 und 32 diese Position erreichen, so daß dementsprechend die seitliche Veran kerung des Materials 49 zwischen und innerhalb der ringförmigen Ausnehmungen gelöst ist. Die Rotationsbohrelemente 28 zerstören und entfernen das Material zwischen den ringförmigen Ausneh mungen 46 und 48 und die Rotationselemente 32 zerstören und entfernen das Material, das von der kreisförmigen Ausnehmung 48 umgeben ist, rasch und wirkungsvoll durch die Mahl-, Schneide- und Kratzwirkung der Schneidzähne 30 und 34.

Gesteinsstücke und Bohrklein werden aus dem Bereich zwischen und unterhalb der Rotationsbohrelemente 28 und 32 und den Bohrkronen 16 und 26 durch das Bohrfluid entfernt, das über eine Bohrfluid leitung 36, die in Fig. 2 gezeigt ist, und eine Verbindung (nicht dargestellt) zum hohlen Bohrstrang herstellt, zugeführt wird. Das Bohrfluid wird getrennt den Rotationsbohrelementen 28 durch die Fluiddurchlässe 38 und den Rotationsbohrelementen 32 durch die Fluiddurchlässe 40 zugeführt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, geben die Durchlässe 38 das Bohrfluid durch Düsen 42 frei, die sich jeweils zwischen den Rotationsbohr elementen 28 befinden, während der Durchlaß 40 das Bohrfluid durch die Düse 44 freisetzt, die sich mittig zwischen den Rota tionsbohrelementen 32 befindet. Das Bohrfluid trägt das Bohrklein und die Gesteinsstücke von einem Bereich unterhalb und zwischen den Bohrkronen und den Rotationsbohrelementen durch die Auslaß durchlässe 20 und 21 und um den Bohrkopf 10 durch die Nuten 22 nach außen.

Gemäß einer bevorzugten in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform sind die Durchlässe 20 und 21 vergrößert, um einen größeren Freiraum angrenzend an die Schneidzähne 30 und 34 zu schaffen, so daß die Gesteinsstücke und das Bohrklein leichter aus dem Bereich um und unterhalb der Bohrkronen und Rotationsbohrelementen auszutreten vermag.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 7 wiedergegeben ist, können die Bohrelemente 16 oder 26 als Bohr kronen ausgebildet sein, die eine allgemein sägezahnförmige Ausgestaltung besitzen, mit verschleißfesten Verstärkungen 50, die in die Schneidflächen der Bohrelemente eingebettet sind. Die Schleißelemente 50 können natürliche oder synthetische Dia manten, Diamant/Wolframkarbidmatrix, Karbide wie Wolframkarbid, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid oder auch irgendein anderes ge eignetes hartes Material umfassen.

Bei einer weiteren in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausfüh rungsform können die Bohrkronen 16 oder 26 eine Mehrzahl von Nasen 52 tragen, die aus dem unteren Ende des Bohrkopfkörpers 12 oder des inneren Bohrelementes 24 vorragen, wobei ein verschleiß festes Material auf den Schneidflächen der Nasen 52 angeordnet sein kann. Auch hier kann wiederum das verschleißfeste Material natürliche oder synthetische Diamanten, Diamant-Wolframkarbid matrix, Karbide wie Wolframkarbid, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid oder irgendwelche anderen geeigneten Materialien umfassen. Schneid platten 23 mit Diamanten, und zwar entweder natürlichen oder synthetischen Diamanten, können auch auf den Schneidflächen der Nase 52 befestigt sein, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Sie können aus PDC-Scheiben hergestellt sein. Diese Ausführungsform der Bohrkronen 16 oder 26 kann hergestellt werden, indem man die Nasen 52 durch Preßsitz in vorgebohrten Löchern am unteren Ende des Bohrkopfkörpers 12 oder des inneren Bohrelementes 24 hält.

Gemäß einer anderen in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform der Erfindung können die Rotationsbohrelemente 28 im Abstand vonein ander angeordnete Schneidscheiben umfassen. Der Keilwinkel 29 der Schneidscheiben kann variiert werden, um den Schneidwirkungs grad zu maximieren.

In einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, können die Rotationsbohrelemente 32 Kegel rollenmeißel umfassen, die mit einer Mehrzahl verschleißfester Zähne 54 versehen sind, die auf der Kegeloberfläche eingebracht sind. Die Zähne können mit Karbid überzogen werden wie etwa mit Wolframkarbid, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß der Dar stellung in Fig. 10 ist eine Mehrzahl innerer Bohrelemente vorgesehen, die an ihren unteren Enden Bohrkronen 26, 26′ und 26′′ tragen und konzentrisch zueinander und zum Bohrkopfkörper angeordnet sind, der an seinem unteren Ende eine Bohrkrone 16 trägt. Jedes der Mehrzahl innerer Bohrelemente ist an seinem oberen Ende mit dem Bohrkopfkörper 12 verbunden. Rotationsbohr elemente 28, 28′ und 28′′ sind zwischen jeweils zweien der inneren Bohrelemente und zwischen dem Bohrkopfkörper und dem äußersten inneren Bohrelement vorgesehen und derart angeordnet, daß die untere Schneidkante jeweils oberhalb der unteren Schneid kanten der Bohrkronen des Bohrkopfkörpers und der inneren Bohr elemente angeordnet ist. Rotationsbohrelemente 32 sind innerhalb des inneren Bohrelementes vorgesehen und so angeordnet, daß ihre unteren Schneidkanten oberhalb der unteren Schneidkanten der innersten Bohrkrone liegen. Bei einer Drehung des Bohrkopfes schneiden die Bohrkronen 26, 26′, 26′′ und 16 konzentrische ring förmige Ausnehmungen vor den Rotationsbohrelementen 32, 28, 28′ und 28′′. Die Rotationsbohrelemente 28, 28′ und 28′′ entfernen das Material zwischen den konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen und die Rotationsbohrelemente 32 entfernen das Material , das innerhalb der inneren ringförmigen Ausnehmung liegt und von dieser umgeben ist. Die Gesteinsbrocken und das Bohrklein werden von dem Raum zwischen und unterhalb der Bohrkronen 26, 26′, 26′′ und 16 und den Rotationsbohrelementen 32, 28, 28′ und 28′′ durch das Bohrfluid entfernt, das von Düsen 42, 42′ und 42′′ freigesetzt wird, die sich jeweils zwischen den Rotationsbohrelementen 28, 28′ und 28′′ befinden, sowie der Düse 44, die sich mittig zwischen den Rotationsbohrelementen 32 befindet.

Es leuchtet ein, daß jede Kombination von Rotationsbohrelementen und Bohrkronen mit den vorbeschriebenen Variationen im Sinne der Erfindung geeignet ist. So umfaßt beispielsweise die Erfindung einen Bohrkopf mit einem ringförmigen Bohrkopfschneidelement, das eine sägezahnförmige Bohrkrone bildet, einem inneren ring förmigen Bohrelement, das vorspringende verschleißfeste Nasen trägt, Rotationsbohrelementen vom Scheiben- und Einsatztyp sowie Kegel rollenmeißel mit eingesetzten und bearbeiteten Zähnen.

Um die Vorteile der Erfindung darzustellen, wurden Labor-Bohr versuche durchgeführt unter Verwendung von vorgeschnittenem Ge stein und einem Ölfördertyp-Bohrkopf. Das Einschneiden einer ein zigen Ausnehmung vor dem Primär-Gesteinsschneidwerkzeug erhöhte die Bohrgeschwindigkeit um 63%, während die Ausbildung von zwei konzentrischen Ausnehmungen entsprechend der Lehre der vorlie genden Erfindung die Bohrgeschwindigkeit um einen Faktor von mehr als 4 erhöhte. Die Tiefe der Ausnehmungen scheint wichtig zu sein, wenn einzelne Ausnehmungen vorhanden sind, jedoch weniger wichtig, wenn zwei oder mehrere ringförmige Ausnehmungen einge schnitten worden sind. Es wurde außerdem herausgefunden, daß die Vorteile der Erfindung besonders deutlich werden, wenn die Ausbildung der Kegelrollenmeißel genau auf die Art des zu boh renden Gesteins abgestimmt ist.

Bei den Untersuchungen wurden Steinplatten aus Carthage Marble hergestellt, indem man Kerne mit einer Länge von 915 mm und einem Durchmesser von 940 mm in jeweils 6 Steinplatten zersägte. Unter Einsatz einer Bohrpresse mit Diamantkernsägen wurden einige dieser Steinplatten mit einer einzigen ringförmigen Aus nehmung versehen, andere wurden mit mehreren kreisförmigen Aus nehmungen versehen und wieder andere verblieben ohne Ausnehmung. Die Steinplatten wurden dann gestapelt und mittels Zement mit einander verbunden, so daß 914,4 mm lange Testproben entstanden. Die Testproben wurden dann in Gummi eingefaßt und abgedichtet, indem eine Metallplatte an jedem Ende angeordnet wurde. Die oberste Platte besaß eine Öffnung, so daß ein Bohrkopf hindurch treten und mit dem Gestein in Kontakt treten konnte. Diese oberste Platte und die untersten Platten wurden mit dem Gestein in Kontakt gehalten durch Gewindestahlstäbe, die sich axial entlang des Um fanges der Proben erstreckten und unter Spannung standen. Hier durch wurden die einzelnen mit den Ausnehmungen versehenen Stein platten fest zusammengehalten. Die Gummiumhüllung wurde dicht um die gesamte Probe gelegt, um einen Fluiddurchtritt zu ver hindern.

Für jeden durchgeführten Test wurde die vorbereitete Gesteins probe in einen Druckbehälter abgesenkt zusammen mit einem Bohr kopf, einem Bohrgestänge, einer Bohrlochabdichtung sowie einer Druckbehälterkappe. Die Kappe wurde dann angezogen, um den Be hälter abzudichten. Ein Bohrgestell wurde oberhalb des Druck behälters angeordnet und das Bohrgestänge wurde mit der Antriebs welle verbunden. Alle Bohruntersuchungen wurden in einer Umge bung durchgeführt, wie sie derjenigen unten im Bohrloch ent spricht. Der Bohrlochdruck wurde bei 138 bar gehalten. Das Ge stein wurde unter Druck gesetzt, um die Belastung und Horizon talspannungen zu simulieren, die in etwa auf das Gestein bei etwa 1311 m Tiefe einwirken. Die Belastung lag bei 300 bar, während die Horizontal- oder Radialspannung 200 bar betrug. Die Temperatur des Bohrschlammes wurde zwischen 40,6°C und 43,3°C gehalten. Alle Tests wurden bei einer Bohrkopfbelastung bis zu 20 412 kp und 60 upm durchgeführt. Während des Bohrvor ganges schwankte das Gewicht auf dem Bohrkopf plus oder minus 227 kp, während die Rotationsgeschwindigkeit um plus oder minus 2 upm von den eingestellten Bedingungen abwich. Die Strömungs menge wurde bei 1363 l/min plus oder minus 19 l/min gehalten, wodurch sich eine hydraulische Leistung von etwa 2,45 hydrau lischer Pferdestärken pro Quadratzoll ergab.

Ein mit Wolframkarbideinsätzen verstärkter Bohrkopf mit einem Durchmesser von 215,9 mm (Hughes J-33 Sealed Journal-Bearing Bit (IADC 537)), der mit drei Strahldüsen mit einem Durchmesser von 10,3 mm ausgerüstet war, was zu einer gesamten Strömungs fläche von 250 mm² führte, wurde eingesetzt. Das Bohrfluid war ein Schlamm auf Wasserbasis.

Das Eindringausmaß (ROP) wurde jede Sekunde gemessen, während der Bohrkopf sich in die Testprobe einbohrte. ROP wurde bestimmt, indem man die gemessene inkrementale Änderung der Eindringung des Bohrkopfes durch das Zeitintervall einer Sekunde teilte. Die durchschnittliche ROP in das Gestein mittels des J-33-Bohr kopfes betrug 4,27 m/h. Wenn eine Probe mit einer einzigen ringförmigen Ausnehmung gebohrt wurde, stieg die augenblickliche ROP auf mehr als 11 m/h. Beim Bohren einer mit zwei ringförmigen Ausnehmungen versehenen Probe wurde eine augenblickliche ROP von 26,7 m/h erzielt.

Ein Weg, diese Daten zu analysieren, liegt darin, das durch schnittliche Bohrausmaß durch die mit Ausnehmungen versehenen Abschnitte zu vergleichen, indem man zunächst die durchschnitt liche ROP durch den mit Ausnehmungen versehenen Bereich bestimmt und dann normalisiert, indem man jeweils dividiert durch die durchschnittliche ROP in das Gestein ohne Ausnehmung. Das Er gebnis für jeden mit Ausnehmungen versehenen Abschnitt repräsen tiert dann ein Verhältnis oder einen "ROP-Verbesserungsfaktor", der den Vorteil angibt, der durch die Ausnehmungen des Gesteins vor dem Bohrkopf erzielt wurde. Da die ringförmigen Ausnehmungen effektiv einen Teil des Lochbodenbereiches entfernen, bevor der Bohrkopf die verbleibenden Bereiche durchbohrt, muß der Norma lisierungsprozeß vervollständigt werden, indem man die ROP-Daten korrigiert unter Berücksichtigung des effektiven Anstiegs des Gewichtes auf den Bohrkopf pro Flächeneinheit des Bohrlochbodens. Die Formel zur Ermittlung des ROP-Verbesserungsfaktors für jede mit einer Ausnehmung versehene Steinplatte ist wie folgt:

Dabei ist:

ROP _k durchschnittliche ROP in dem Abschnitt mit Ausnehmung
ROP_i durchschnittliche ROP im Gestein ohne Ausnehmung
A _k Querschnittsfläche, die in dem Bohrloch mit Aus nehmung verbleibt
A _i Querschnittsfläche des gesamten Bohrlochs

Der ROP-Verbesserungsfaktor im Gestein ohne Ausnehmung ist dem entsprechend 1,0. Der beste Fall für eine Steinplatte mit einer einzigen ringförmigen Ausnehmung lag bei einem ROP-Verbesserungs faktor von 1,63. Gesteinsplatten mit mehreren Ausnehmungen führten zu einem sehr starken und beeindruckenden Einfluß auf die ROP.

Doppelte Ausnehmungen führten durchgängig zu ROP-Verbesserungs faktoren von mehr als 2,4 mit einem Anstieg bis zu 4,42. In einem anderen Fall, bei welchem mit drei konzentrischen Aus nehmungen gebohrt wurde, ergab sich ein ROP-Verbesserungsfaktor von 4,81.

Somit ergab sich für den Bohrkopf gemäß der Erfindung eine be merkenswerte Verbesserung des Bohrausmaßes gegenüber einem Ge stein ohne Ausnehmung und sogar über Gestein mit einer einzigen ringförmigen Ausnehmung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden zuvor näher erläutert. Es soll jedoch an dieser Stelle noch einmal ausdrück lich angegeben werden, daß es sich bei der vorangehenden Be schreibung lediglich um eine solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen ohne weiteres in den Rahmen der Erfindung fallen.

Claims

1. Bohrkopf, gekennzeichnet durch

a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Abschlußende, wobei das untere Ende als Ringkrone (16) ausge bildet ist, mittels welcher durch Drehung des Bohrkopfes (10) eine äußere ringförmige Ausnehmung (46) in die Formation ein bringbar ist,
b) ein inneres Bohrelement (24), das konzentrisch zum Bohrkopf körper (12) angeordnet und mit seinem oberen Ende an dem Bohr kopfkörper (12) gehalten ist, während das untere Ende als Bohr krone (26) ausgebildet ist zur Ausbildung einer inneren ring förmigen Ausnehmung (48) konzentrisch zur äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
c) eine erste Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28), die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) relativ zum Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohr element (24) drehbar gehalten ist, wobei die tiefsten Schneid kanten der Rotationsbohrelemente oberhalb der tiefsten Schneid kanten der ringförmigen Bohrelemente (16 und 26) des Bohrkopf körpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind zur Entfernung des zwischen den inneren und äußeren Aus nehmungen (46 und 48) befindlichen Materials,
d) eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (32), die innerhalb des inneren Bohrelementes (24) relativ zu diesem drehbar gehalten ist, wobei sich dessen tiefste Schneidkante oberhalb der tiefsten Schneidkante der ringförmigen Bohrkrone (26) des inneren Bohrelementes (24) befindet, zur Entfernung des von der inneren Ausnehmung (48) umgebenen Materials,
e) eine Bohrflüssigkeitsleitung (36), die innerhalb des Bohrkopfes (10) angeordnet ist und ein oberes wie ein unteres Ende aufweist zur Überleitung von Bohrfluid vom oberen Ende des Bohrkopfes (10) zu dessen unterem Ende, und
f) eine Einrichtung (14) zum Verbinden der oberen Enden des Bohr kopfkörpers (12) und der Bohrfluidleitung (36) mit einem Bohr strang.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohr kopfkörper (12) eine Mehrzahl in einem Abstand voneinander ange ordneter Trübstoffschlitze (22) trägt, die sich in Längsrichtung von der Ringkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) bis zu dessen oberem Ende erstrecken zur Abführung des Bohrlochfluids und der Trübe von einem Bereich unterhalb des Bohrkopfes (10).

3. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring krone (16) des Bohrkopfkörpers (12) einen Schneidrand mit einer sägezahnförmigen Ausbildung trägt, an deren Schneidflächen ver schleißfeste Schneidplatten (18) gehalten sind, während Auslässe (20) zwischen den Bohrzähnen zur Abführung der Trübe aus dem Bereich unterhalb des Kopfes vorgesehen sind.

4. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Schneidplatten mit Diamanten bestückt sind.

5. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Schneidplatten Wolframkarbit, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid enthalten.

6. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Schneidplatten Wolframkarbid umfassen.

7. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Bohrschneidplatten (18) vorgesehen sind, wobei auf den Schneidflächen der Krone Diamanten gehalten sind.

8. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Schneideinrichtung (26) des inneren Bohrelementes (24) als Bohrkrone mit einer im wesentlichen sägezahnförmigen Ausbildung ausgestaltet ist, wobei auf den Schneidflächen der Krone ein abriebfestes Material gehalten ist und Auslaßdurch lässe (21) zwischen benachbarten Zähnen zur Abführung des Bohr kleins aus einem Bereich unterhalb des Bohrkopfes ausgebildet sind.

9. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das abriebfeste Material Diamanten umfaßt.

10. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das abriebfeste Material Karbide umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Siliziumkarbid.

11. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das abriebfeste Material Wolframkarbid umfaßt.

12. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schneidplatten (19) vorgesehen ist, wobei die Schneidflächen der Krone mit Diamanten bestückt ist.

13. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Schneidelement (16) des Bohrkopfkörpers (12) eine Mehrzahl von Nasen (52) umfaßt, die von dem Bohrkopfkörper (12) vorspringen, wobei auf den Schneidflächen der Nasen (52) verschleißfeste Materialien aufgebracht sind.

14. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Materialien Diamanten umfassen.

15. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Materialien Karbide umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Silizium karbid.

16. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Material Wolframkarbid ist.

17. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schneidplatten (23) vorgesehen ist, wobei auf den Schneidflächen der Nasen (52) Diamanten angeordnet sind.

18. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Schneidelement (26) des inneren Bohrelementes (24) eine Mehrzahl von Nasen (52) umfaßt, die von dem inneren Bohr element (24) vorspringen, wobei ein verschleißfestes Material auf den Schneidflächen der Nasen (52) angeordnet ist.

19. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Material Diamanten umfaßt.

20. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Material Karbide umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Siliziumkarbid.

21. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Material Wolframkarbid ist.

22. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schneidplatten (23) vorgesehen ist, wobei auf die Schneidflächen der Nasen (52) Diamanten aufgebracht sind.

23. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28) vorgesehen ist mit mindestens zwei in einem Abstand voneinander angeordneten Schneid rädern, die verschleißfeste Zähne (30) tragen.

24. Bohrkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Zähne Wolframkarbid umfassen.

25. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mehrzahl der Rotationsbohrelemente (28) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Schneidscheiben umfaßt.

26. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (22) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollenmeißel umfaßt.

27. Bohrkopf nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl verschleißfester Zahnein sätze (34) umfaßt, die aus der Oberfläche der Kegelrollenmeißel vorspringen.

28. Bohrkopf nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Zahneinsätze (34) Wolframkarbid umfassen.

29. Bohrkopf nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl abriebfester Zähne (54) tragen, die auf der Oberfläche der Kegelrollenmeißel gehalten sind.

30. Bohrkopf nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebfesten Zähne mit Karbid überzogen sind.

31. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrfluidleitung (36) innerhalb des Bohrkopfes (10) befindet zur Überleitung von Bohrfluid zu den Bohrkronen (16 und 26) sowie der ersten und zweiten Mehrzahl der Rotationsbohrelemente (28 und 32), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38, 40) aufweist zur getrennten Abgabe des Fluids oberhalb und zwischen jeweils der ersten und zweiten Mehrzahl der Rotationsbohrelemente (28 und 32).

32. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch

a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet mit im allgemeinen sägezahnförmiger Ausbildung und verschleiß festen Materialien auf den Schneidflächen der Bohrkrone zum Einbringen einer äußeren kreisförmigen Ausnehmung (46) bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
b) ein inneres Bohrelement (24), das sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers (12) befindet, dessen oberes Ende mit dem Bohrkopfkörper (12) in Verbindung steht, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet mit einer im allgemeinen sägezahnförmigen Ausbildung, wobei verschleißfeste Materialien auf den Schneidflächen der Krone angeordnet sind zum Einschnei den einer ringförmigen Ausnehmung (48), die konzentrisch zur äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) angeordnet ist bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
c) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Schneid räder, die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind zur Rotation relativ zum Bohrkopfkörper (12) sowie dem inneren Bohrelement (24), wobei die Schneidräder mit ihren tiefsten Schneidkanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der sägezahnförmigen Krone des Bohrkopfkörpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) an geordnet sind zur Entfernung des Materials zwischen den äußeren und inneren ringförmigen Ausnehmungen (46, 48),
d) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollen meißel, die zwischen dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind und sich relativ zu diesem inneren Bohrelement (24) dre hen, wobei die Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl verschleiß fester Zähne (34) tragen, die von der Oberfläche der Kegel rollenmeißel vorragen derart, daß die tiefsten Schneidzähne oberhalb der tiefsten Schneidkanten der sägezahnförmigen Krone des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind zur Entfernung des von der inneren kreisförmigen Ausnehmung (48) umgebenen Materials,
e) eine Bohrlochfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohr kopfes (10) befindet, zur Überleitung des Bohrfluids zu den Schneidrädern, den Kegelrollenmeißel sowie den Bohrkronen (16, 26), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38, 40) umfaßt zur getrennten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen jeweils der im Abstand voneinander angeordneten Schneidräder und Kegelrollenmeißel, und
f) eine Einrichtung (14) zum Verbinden der Bohrlochfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers (12) mit einem Bohrleitungsstrang.

33. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch

a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem un teren Ende, wobei das untere Ende eine kreisförmige Bohr krone bildet zum Einschneiden einer äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) bei einer Rotation des Bohrkopfes (10), wo bei die Bohrkrone eine allgemein sägezahnförmige Ausgestal tung besitzt mit einer Mehrzahl von Schneidplatten (18), deren Schneidflächen mit Diamanten bestückt sind und Aus lässe (20) begrenzen zwischen nebeneinander liegenden Kro nenzähnen zur Entfernung von Bohrklein aus dem Bereich un terhalb des Bohrkopfes, während der Bohrkopfkörper (12) im Abstand voneinander angeordnete Nuten (22) trägt, die sich in Längsrichtung von der kreisförmigen Krone in Richtung auf das obere Ende des Bohrkopfkörpers (12) erstrecken zur Ab führung von Bohrklein und Bohrlochfluid von dem Bereich unter halb des Bohrkopfes (10),
b) ein inneres Bohrelement (24), das sich konzentrisch inner halb des Bohrkopfkörpers (12) befindet und dessen oberes Ende an den Bohrkopfkörper (12) angeschlossen ist, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet zum Schneiden einer inneren ringförmigen Ausnehmung (48), die sich kon zentrisch innerhalb der äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) befindet bei einer Drehung des Bohrkopfes (10), wobei die Bohrkrone eine im wesentlichen sägezahnförmige Ausbildung besitzt und eine Mehrzahl von Schneidplatten (19) vorgesehen sind, die auf den Schneidflächen mit Diamanten bestückt sind und Auslaßdurchlässe (21) begrenzen zwischen jeweils benach barten Kronenzähnen zur Abführung des Bohrkleins aus dem Bereich unterhalb des Bohrkopfes (10),
c) drei imAbstand voneinander angeordnete Schneidräder, die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) drehbar gehalten sind zur Rotation relativ zu dem Bohr kopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) zur Ent fernung des Materials zwischen der äußeren und der inneren ringförmigen Ausnehmung (46, 48), wobei die Schneidräder mit Schneidzähnen (30) versehen sind, die aus Wolframkarbid bestehen und derart angeordnet sind, daß die tiefsten Schneid zähne sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkrone und unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe (20) des Bohrkopfkörpers (12) befinden,
d) drei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollenmeißel (32), die innerhalb des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind und sich relativ zu dem inneren Bohrelement (24) zu drehen vermögen zur Entfernung des von der inneren kreisförmigen Ausnehmung (48) umgebenen Materials, wobei die Kegelrollen meißel eine Mehrzahl von Karbidzähnen (34) aufweisen, die von der Kegelrollenmeißeloberfläche vorragen derart, daß die tiefsten Schneidzähne sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkronen des inneren Bohrelementes (24) befinden und unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe (21) des inneren Bohrelementes (24),
e) eine Bohrlochfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohr kopfes (10) befindet zur Zuführung von Bohrfluid zu den Schneidrädern, den Kegelrollenmeißel sowie den kreisförmigen Bohrkronen (16, 26), wobei die Leitung (36) getrennte Durch lässe (38, 40) aufweist zur getrennten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen jeweils der im Abstand voneinander angeordneten Schneidräder und Kegelrollenmeißel, und
f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der Bohrfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers (12) mit einem Bohrleitungsstrang.

34. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch:

a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende eine Bohrkrone (16) bildet zum Einschneiden einer äußeren kreisförmigen Ausnehmung (46) beim Drehen des Bohrkopfes (10),
b) eine Mehrzahl innerer Bohrelemente, die sich konzentrisch innerhalb des anderen Bohrelementes und innerhalb des Bohr kopfkörpers (12) befindet, wobei jedes der inneren Bohrele mente mit seinem oberen Ende an dem Bohrkopfkörper (12) ge halten ist, während die jeweils unteren Enden als Bohrkronen (26, 26′, 26′′) ausgebildet sind zum Einschneiden konzen trischer ringförmiger Ausnehmungen bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
c) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneter Rotations bohrelemente (28, 28′, 28′′), die zwischen dem Bohrkopfkör per (12) und dem äußersten der inneren Bohrelemente und zwischen jeweils einer Mehrzahl der inneren Bohrelemente angeordnet sind zur Rotation relativ zum Bohrkopfkörper (12) und den inneren Bohrelementen, wobei die Rotationsbohrelemente (28, 28′, 28′′) derart angeordnet sind, daß die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der kreisförmigen Bohrkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) be finden und die inneren Bohrelemente das Material zwischen den konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen entfernen,
d) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollen meißel, die sich innerhalb des innersten der inneren Bohrele mente befinden zur Drehung relativ zu dem inneren Bohrelement (24), wobei die tiefsten Schneidkanten der Kegelrollenmeißel sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten des ringförmigen Schneidelementes (26) des innersten der inneren Bohrelemente befinden zur Entfernung des Materials, das von der innersten der konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen umgeben ist,
e) eine Bohrfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohrkopfs (10) befindet zur Freigabe von Bohrfluid an den Rotations bohrelementen (28, 28′, 28′′), den Kegelrollenmeißel und den Bohrkronen (16, 26, 26′, 26′′), wobei die Leitung (36) getrennte Auslässe aufweist zur getrennten Abgabe des Fluids oberhalb und zwischen den Rotationsbohrelementen (28, 28′, 28′′) und den Kegelrollenmeißeln, und
f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der Bohrfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers mit einem Bohrleitungs strang.

35. Verfahren zum Einbringen von Bohrlöchern in Erdformationen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Bohrkopf verwendet, der die folgenden Merkmale aufweist:

a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen Ende sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende als kreisförmige Bohrkrone (16) ausgebildet ist,
b) einem inneren Bohrelement (24), das sich konzentrisch inner halb des Bohrkopfkörpers (12) befindet, dessen oberes Ende mit dem Bohrkopfkörper (12) verbunden ist, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone (26) bildet,
c) eine erste Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28), die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind zur Rotation relativ zu dem Bohrkopf körper (12) und dem inneren Bohrelement (24), wobei die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der untersten Schneid kanten der Bohrkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) befinden,
d) eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (32), die sich innerhalb des inneren Bohrelementes (24) zur Drehung relativ zu dem inneren Bohrelement (24) befinden, wobei die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkrone (26) des inneren Bohrelementes (24) befinden,
e) eine Bohrfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohrkopfes (10) befindet zur Freigabe von Bohrfluid an die Bohrkronen (16, 26) sowie die erste und zweite Mehrzahl von Rotations bohrelementen (28, 32), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38, 40) aufweist zur separaten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28, 32) sowie
f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der oberen Enden des Bohrkopfkörpers (12), des inneren Bohrelementes (24) sowie der Bohrfluidleitung (36) mit einem Bohrleitungsstrang,

wobei durch die Drehung des Bohrkopfes (10) die Bohrkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) eine äußere ringförmige Ausnehmung (46) einschneidet, die ringförmige Bohrkrone (26) des inneren Bohr elementes (24) eine innere kreisförmige Auskerbung (28) ausschnei det, die konzentrisch innerhalb der äußeren ringförmigen Ausneh mung (46) angeordnet ist, während die erste Mehrzahl der Rotations bohrelemente (28) das Material zwischen der äußeren und der inne ren ringförmigen Ausnehmung (46, 48) entfernt und die zweite Mehr zahl von Rotationsbohrelementen (32) das Materials entfernt, das von der inneren ringförmigen Ausnehmung (48) umgeben ist.