DE68912061T2

DE68912061T2 - Drehbohrmeissel zum Bohren durch klebrige Schichten.

Info

Publication number: DE68912061T2
Application number: DE89202639T
Authority: DE
Inventors: Djurre Hans Zijsling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: DK170866B1; EP0365100A2; NO180551B; NO894176L; CA2001178A1; NO894176D0; GB8824546D0; NO180551C; ES2048828T3; DE68912061D1; US5197554A; CA2001178C; DK519489A; EP0365100B1; DK519489D0; EP0365100A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehbohrmeißel zum Bohren durch klebrige Schichten oder Formationen.
Es ist bekannt, daß beim Bohren durch klebrige Schichten oder Formationen, wie beispielsweise Kreide oder Mergel, das produzierte Gesteinsmehl eine große Tendenz hat, an der Fläche des Bohrmeißels anzuhaften. Für das Bohren durch solche klebrige Formationen werden allgemein Fischschwanzbohrmeißel verwendet, die breite Wasserkanäle zwischen den Schneidflügeln bzw. Flügelschneiden haben.
Erfahrung im Feld hat gelehrt, daß trotz des Vorhandenseins breiter Wasserkanäle es oftmals auftritt, daß Gesteinsmehl sich vor den Schneidflügeln ansammelt und lediglich kleine Kanäle offenläßt, um es Bohrfluid zu ermöglichen, von den Düsen zu dem Umfang des Bohrmeißels bzw. der Bohrspitze zu fließen. Gelegentlich ist es aufgetreten, daß die Bewegung des angesammelten Gesteinsmehls durch die Wasserkanäle hindurch behindert wurde und daß das Gesteinsmehl in den Wasserkanälen kompaktiert wurde und begann, den größeren Teil des Gewichtes an dem Bohrmeißel zu tragen bzw. darzustellen, so daß sich ein vollständig durcheinandergebrachter Bohrmeißel und eine schlechte Bohrleistung ergaben.
Das US-Patent Nr. 4,696,354 offenbart einen Bohrmeißel, der einen Bohrmeißelkörper hat, welcher mit einer Mehrzahl von Schneidflügeln und einer Mehrzahl von Wasserkanälen versehen ist, wobei jeder Wasserweg zwischen einem Paar von benachbarten Flügeln gebildet ist und die Größe der Querschnittsfläche jedes Wasserkanals in Richtung von der mittleren Achse zu dem Umfang des Bohrmeißels zunimmt.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehbohrmeißel zu schaffen, bei welchem das Auftreten einer Verdichtung von Gesteinsmehl in den Wasserkanälen vermieden ist.
Der Drehbohrmeißel gemäß der Erfindung umfaßt:
- einen Bohrmeißelkörper, an welchem eine Mehrzahl von Schneidflügeln angebracht ist, die sich entlang des Bohrmeißelkörpers von einer mittleren Achse des Bohrmeißels in Richtung gegen den Umfang des Bohrmeißels erstrecken, und
- eine Mehrzahl von Wasserkanälen zum Transportieren von Bohrfluid und Gesteinsmehl zum Umfang des Bohrmeißels, wobei jeder Wasserkanal zwischen einem Paar von benachbarten Flügeln gebildet ist und an jedem Punkt entlang seiner Länge eine Querschnittsfläche A, gemessen in einer Ebene rechtwinklig zu einer mittleren Profilsehne oder Sehne des Wasserkanals, hat, und die Größe der Querschnittsflächen A jedes Wasserkanals in einer Richtung von der mittleren Achse in Richtung gegen den Umfang des Bohrmeißels zunimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der genannten Querschnittsflächen in einer solchen Weise zunimmt, daß das Verhältnis zwischen einer Querschnittsfläche A&sub1; des Wasserkanals in einer ersten Ebene 1 rechtwinklig zu der Sehne und einer Querschnittsfläche A&sub2; des gleichen Wasserkanals in einer zweiten Ebene 2 rechtwinklig zu der Sehne die nachstehende Gleichung erfüllt:
A&sub1; / A&sub2; ≤ r&sub1;²/ r&sub2;², wobei
r&sub1; der mittlere Radius ist, an welcher die Ebene 1 die Spitzen oder Schneiden benachbarter Schneidflügel kreuzt, wobei der Radius von der mittleren Achse des Bohrmeißels gemessen ist,
r&sub2; der mittlere Radius ist, an welcher die Ebene 2 die Spitzen der benachbarten Schneidflügel kreuzt, wobei der Radius von der mittleren Achse des Bohrmeißels gemessen ist, und
r&sub2; größer als r&sub1; ist.
Ein Bohrmeißel bzw. eine Bohrspitze gemäß der Erfindung ist derart gestaltet, daß die mittlere Geschwindigkeit des Gesteinsmehls in den Wasserkanälen konstant bleibt bzw. sich kontinuierlich verringert in einer Richtung von der Mitte des Bohrmeißels zum Umfang des Bohrmeißels, wodurch eine mechanische Reinigung geschaffen ist für den Fall, daß die hydraulische Reinigung nicht mehr angemessen oder ausreichend ist.
Eine spezielle Ausführungsform des Bohrmeißels gemäß der Erfindung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine Unteransicht eines Abschnitts eines Bohrmeißels gemäß der Erfindung ist; und
Fig. 2 eine Schnittansicht des Bohrmeißels gemäß Fig. 1 nach Linie II-II und gesehen in Richtung der Pfeile ist.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Bohrmeißel gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt weiterhin eine erste Ebene 1 und eine zweite Ebene 2. Die Ebenen 1 und 2 sind jeweils rechtwinklig zu einer mittleren Linie oder Profilsehne 3 des Wasserkanals 4 ausgerichtet, der zwischen einem Paar von benachbarten Schneidflügeln 5 und 6 des Bohrmeißels bzw. der Bohrspitze gebildet ist.
Der Bohrmeißel hat acht regelmäßig verteilte Schneidflügel, von denen in Fig. 1 zwei dargestellt sind. Die Schneidflügel 5 und 6 erstrecken sich entlang des Bohrmeißelkörpers 8 von der mittleren Achse 10 des Bohrmeißels in Richtung gegen den Umfang 11 des Bohrmeißels. Die Schneidflügel 5 und 6 haben eine im wesentlichen radiale Ausrichtung relativ zu der mittleren Achse 10 und sie sind nahe ihrer Spitze 12 mit einer Reihe von scheibenförmigen polykristallinen kompakten Diamantschneidelementen (PDC) 13 ausgerüstet.
Jeder Wasserkanal 4 ist zwischen dem Lochboden 15, der Bohrmeißelfläche 16, der Vorderseite eines Schneidflügels 6 und der Hinterseite 17 eines anderen Schneidflügels 5 gebildet.
Die mittlere Sehne oder Linie jedes Wasserkanals 4 ist durch die Mitte des Fluiddurchgangs gebildet, der durch den Wasserkanal geschaffen ist, so daß jeder Punkt der Sehne 3 in gleichem Abstand von der Vorderseite eines Schneidflügels 6 und der Hinterseite 17 eines anderen Schneidflügels 5 liegt und ebenso in gleichem Abstand von dem Lochboden 15 und der Bohrmeißelfläche 16.
Im Hinblick auf die rechtwinklige Gestalt der Wasserkanäle kann die Querschnittsfläche des Wasserkanals 4 definiert werden als:
A = w.h. (1)
h ist die Höhe des Wasserkanals 4, definiert als der Abstand zwischen der Bohrmeißelfläche 16 und den Spitzen 12 der Flügel, wobei der Abstand in einer Ebene rechtwinklig zu der mittleren Sehne 3 gemessen ist, und w ist die Breite des Wasserkanals 4, definiert als der Abstand zwischen der Vorderseite eines Schneidflügels 6 und der Hinterseite 17 eines anderen Schneidflügels, wobei dieser Abstand in einer Ebene rechtwinklig zu der mittleren Sehne 3 gemessen ist.
Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, ist die Querschnittsfläche A des Wasserkanals 4 in der ersten Ebene 1 definiert durch A&sub1; = w&sub1;.h&sub1;, wohingegen die Querschnittsfläche A&sub2; des Wasserkanals 4 in der zweiten Ebene 2 durch A&sub2; = w&sub2;.h&sub2; definiert ist.
Bei dem Bohrmeißel gemäß der Erfindung nimmt die Größe der Querschnittsflächen A der Wasserkanäle 4 in Richtung von der mittleren Achse 10 zum Umfang 11 des Bohrmeißels derart zu, daß die Zunahme der Größe der Flächen A in der genannten Richtung wenigstens im wesentlichen proportional ist zu dem Quadrat des Radius r einer besonderen Fläche A von der mittleren Achse 10. Der Radius r einer speziellen Fläche A ist definiert als der mittlere Abstand zwischen der mittleren Achse 10 und den Stellen, an denen eine Ebene, in welcher die Fläche A gemessen wird, die Spitzen 12 der benachbarten Schneidflügel 5, 6 kreuzt bzw. schneidet.
Die Verflechtung der Bohrmeißelgestaltung gemäß der Erfindung mit den Querschnittsflächen A&sub1; und A&sub2; der ersten Ebene 1 und der zweiten Ebene 2, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, besteht darin, daß das Verhältnis zwischen den Fläche A&sub1; und A&sub2; die nachstehende Gleichung erfüllt:
A&sub2; / A&sub1; ≤ r&sub2;² / r&sub1;² (2),
wobei r&sub1; der mittlere Radius ist, an welchem die Ebene 1 die Spitzen 12 benachbarter Schneidflügel 5, 6 kreuzt, wobei dieser Radius von der mittleren Achse 10 gemessen ist, r&sub2; der mittlere Radius ist, an welchem die Ebene 2 die Spitzen oder Schneiden 12 benachbarter Schneidflügel 5, 6 kreuzt, wobei dieser Radius von der mittleren Achse gemessen ist, und r&sub2; größer als r&sub1; ist.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt ist, haben die Schneidflügel 5 und 6 eine radiale Ausrichtung relativ zu der mittleren Achse. Bei dieser Ausführungsform schneidet die Ebene 1 die Spitzen oder Schneiden 12 der benachbarten Schneidflügel 5 und 6 an etwa gleichem Abstand von der mittleren Achse 10, und das gleiche gilt für den Schnitt zwischen der Ebene 2 und diesen Spitzen. Daher schneidet die Ebene 1 die Spitzen 12 an einem Radius r&sub1;, wohingegen die Ebene 2 die Spitzen 12 an einem Radius r&sub2; schneidet. Bei eienr alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Schneidflügel jedoch eine spiralförmige Ausrichtung relativ zu der mittleren Achse haben. Dann schneidet eine Ebene queraxial zu einer mittleren Sehne eines Wasserkanals die Spitzen oder Schneiden benachbarter Flügel unterschiedlicher Radien, und das Mittel bzw. der Durchschnitt dieser Radien muß berücksichtigt werden, um das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen A&sub1; und A&sub2; zu definieren.
Da bei der Ausführungsform, die in der Zeichnung dargestellt ist, jeder Wasserkanal weiterhin eine im wesentlichen rechtwinklige oder rechteckige Querschnittsfläche A hat und die Dicke der Schneidflügel 5 und 6 klein ist im Vergleich zu der Breite w der Wasserkanäle 4, kann das Verhältnis zwischen der Breite w&sub2; und der Breite w&sub1; der Wasserkanäle in den Ebenen 1 und 2 geschätzt werden gemäß der nachstehenden Gleichung:
W&sub1; / W&sub2; r&sub1; sin α / r&sub2; sin α (3),
wobei α der Winkel zwischen benachbarten Schneidflügeln ist.
Eine Kombination der Gleichungen (2) und (3) ergibt:
h&sub1; / h&sub2; ≤ r&sub1; / r&sub2; (4).
Demgemäß nimmt bei der dargestellten Ausführungsform, bei welcher der Bohrmeißel radiale Schneidflügel und rechtwinklige oder rechteckige Wasserkanäle hat, die Höhe h jedes Wasserkanals in radialer Richtung von der mittleren Achse weg zu derart, daß die Änderung der Höhe h wenigstens im wesentlichen proportional zu der Vergrößerung des Radius r ist, an welchem die Ebene, in der die Höhe h gemessen wird, die Spitzen oder Schneiden 12 benachbarter Schneidflügel 5 und 6 schneidet.
Die Bohrmeißelgestaltung gemäß der Erfindung basiert auf der Einsicht, daß die Geschwindigkeit des Gesteinsmehls sich entlang ihres Fließweges durch jeden Wasserkanal hindurch nicht erhöhen sollte. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gesteinsmehls ist eine Anzeige einer relativen Verkleinerung der Querschnittsfläche des Wasserkanals im Vergleich zu dem Gesteinsmehlvolumen V, welches hindurchtritt. Demgemäß kann eine erhöhte Geschwindigkeit des Gesteinsmehls entlang des Fließweges zu einer Verdichtung von Gesteinsmehl und auf diese Weise zu einem Verstopfen des Wasserkanals führen. Um eine Verdichtung des Gesteinsmehls unter allen Umständen zu vermeiden, wird es bevorzugt, die Wasserkanäle derart zu gestalten, daß die Geschwindigkeit des Gesteinsmehls in Stromabwärtsrichtung durch die Wasserkanäle hindurch allmählich abnimmt.
Die Bohrmeißelgestaltung gemäß der Erfindung basiert weiterhin auf der Einsicht, daß das Volumen V an Gesteinsmehl, welches während einer vollen Umdrehung des Bohrmeißels durch die Wasserkanäle am Umfang 11 des Bohrmeißels hindurchgeht, gleich ist dem Volumen eines Zylinders aus Gestein, welches während dieser Umdrehung von der Erdkruste entfernt worden ist. Dieses Volumen kann ausgedrückt werden als:
V = π.R².ROP (5),
wobei V das Gesteinsmehlvolumen ist, welches von dem Bohrmeißel entfernt wurde, R der Außenradius der Schneidspitzen 12 ist, und ROP das Ausmaß des Eindringens ist, in welchem das Bohrloch während einer vollen Umdrehung des Bohrmeißels vertieft wird.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Bohrmeißel wird das Gesteinsmehlvolumen V durch acht Wasserkanäle geführt. Demgemäß beträgt das Gesteinsmehlvolumen V', welches während einer Umdrehung des Bohrmeißels durch einen Wasserkanal hindurchtritt, V' = 1/8.π.r².ROP.
Das Gesteinsmehlvolumen V', welches während einer Umdrehung des Bohrmeißels durch die Querschnittsfläche A des Wasserkanals hindurchtritt, ist gleich 1/8 des Volumens des Zylinders aus Gestein, welches innerhalb eines Radius r&sub1; während dieser Umdrehung von der Erdkruste entfernt worden ist bzw ist gleich:
V&sub1;' = 1/8.π.r&sub1;².ROP.
Folgt man der gleichen Linie der Begründung für das Gesteinsmehlvolumen V&sub2;', welches durch die Querschnittsfläche A&sub2; hindurchtritt, so ergibt sich:
V&sub2;' = 1/8.π.r&sub2;².ROP.
Das Einführen der Gesteinsmehlgeschwindigkeit v in einem Wasserkanal als das Verhältnis zwischen dem Gesteinsmehlvolumen V, welches an einer gewissen Querschnittsfläche A durch den Wasserkanal hindurchtritt, und der Größe der Querschnittsfläche A, ergibt für die Geschwindigkeiten v&sub1; und v&sub2; in den Ebenen 1 und 2:
v&sub1; = π.r&sub1;².ROP / 8.A&sub1;, und
v&sub2; = π.r&sub2;².ROP / 8.A&sub2; (6)
Wird nunmehr berücksichtigt, daß die Geschwindigkeit des Gesteinsmehls sich in Stromabwärtsrichtung entlang des Fließweges jedes Wasserkanals nicht erhöhen soll oder, in anderen Worten ausgedrückt, diese Geschwindigkeit konstant bleiben soll oder sich in Stromabwärtsrichtung verringern soll, so ergibt sich
v&sub2; ≤ v&sub2; (7)
und eine Kombination der Gleichungen (6) und (7) ergibt:
r&sub2;²/A&sub2; ≤ r&sub1;²/A&sub1;, oder A&sub2;/A&sub1; ≥ r&sub2;²/r&sub1;² (8)
Die Gleichung (8) ist gleich der Gleichung (2) und die Gleichungen (2) und (8) basieren auf dem Prinzip, daß die Geschwindigkeit v des Gesteinsmehls in Stromabwärtsrichtung jedes Wasserkanals sich verringern oder wenigstens gleich bleibensollte. Auf diese Weise werden Ansammeln und Verdichtung von Gesteinsmehl in den Wasserkanälen vermieden und es wird ein mechanisches Reinigen der Wasserkanäle erzielt. Die Fähigkeit der mechanischen Reinigung ist von Bedeutung, wenn die hydraulische Reinigung, die durch das Fließen des Bohrfluids geschaffen ist, nicht mehr angemessen oder ausreichend ist.
Das Bohrmeißelkonzept gemäß der Erfindung kann verwendet werden in einem Fischschwanzbohrmeißel oder in irgendeinem anderen Bohrmeißel bzw. in irgendeiner anderen Bohrspitze, bei der zwischen den Schneidflügeln Wasserkanäle gebildet sind. Der Bohrmeißelkörper kann domförmig bzw. gewölbt sein und die Schneidflügel des Bohrmeißels können eine radiale oder spiralförmige Ausrichtung relativ zur mittleren Achse des Bohrmeißelkörpers haben. Demgemäß ist klar zu verstehen, daß die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform lediglich erläuternd ist.

Claims

1. Drehbohrmeißel zum Bohren durch klebrige Schichten oder Formationen, wobei der Bohrmeißel umfaßt:

- einen Bohrmeißelkörper (8), an welchem eine Mehrzahl von Schneidflügeln (5, 6) angebracht ist, die sich entlang des Bohrmeißelkörpers (8) von einer mittleren Achse (10) des Bohrmeißels (8) in Richtung gegen den Umfang (11) des Bohrmeißels erstrecken, und

- eine Mehrzahl von Wasserkanälen (4) zum Transportieren von Bohrfluid und Gesteinsmehl zum Umfang (11) des Bohrmeißels, wobei jeder Wasserkanal (4) zwischen einem Paar von benachbarten Flügeln (5, 6) gebildet ist und an jedem Punkt entlang seiner Länge eine Querschnittsfläche A, gemessen in einer Ebene rechtwinklig zu einer mittleren Profilsehne oder Linie (3) des Wasserkanals (4), hat, und die Größe der Querschnittsflächen A jedes Wasserkanals (4) in einer Richtung von der mittleren Achse (10) in Richtung gegen den Umfang (11) des Bohrmeißels zunimmt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Größe der genannten Querschnittsflächen in einer solchen Weise zunimmt, daß das Verhältnis zwischen einer Querschnittsfläche A&sub1; des Wasserkanals (4) in einer ersten Ebene 1 rechtwinklig zu der Sehne (3) und einer Querschnittsfläche A&sub2; des gleichen Wasserkanals (4) in einer zweiten Ebene 2 rechtwinklig zu der Sehne (3) die nachstehende Gleichung erfüllt:

A&sub1; / A&sub2; ≤ r&sub1;² / r&sub2;², wobei

r&sub1; der mittlere Radius ist, an welcher die Ebene 1 die Spitzen oder Schneiden (12) benachbarter Schneidflügel (5, 6) kreuzt, wobei der Radius von der mittleren Achse (10) des Bohrmeißels gemessen ist,

r&sub2; der mittlere Radius ist, an welcher die Ebene 2 die Spitzen der benachbarten Schneidflügel (5, 6) kreuzt, wobei der Radius von der mittleren Achse (10) des Bohrmeißels gemessen ist, und

r&sub2; größer als r&sub1; ist.

2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei die Schneidflügel (5, 6) eine im wesentlichen radiale Ausrichtung relativ zu der mittleren Achse (10) des Bohrmeißels haben und jeder Wasserkanal (4) an jedem Punkt entlang seiner Länge eine im wesentlichen rechtwinklige Querschnittsfläche A hat, und wobei das Verhältnis zwischen der Höhe h&sub1; der Querschnittsfläche A&sub1; des Wasserkanals (4) in der ersten Ebene 1 und der Höhe h&sub2; der Querschnittsfläche A&sub2; des Wasserkanals (4) in der zweiten Ebene die nachstehende Gleichung erfüllt:

h&sub1; / h&sub2; ≤ r&sub1; / r&sub2;, wobei

h&sub1; die Höhe der Fläche A&sub1; ist, definiert durch den Abstand zwischen der Spitze (12) eines benachbarten Schneidflügels (5, 6) und dem Bohrmeißelkörper (8), gemessen in der Ebene 1, und

h&sub2; die Höhe der Fläche A&sub2; ist, definiert durch den Abstand zwischen der Spitze (12) eines benachbarten Schneidflügels (5, 6) und dem Bohrmeißelkörper (8), gemessen in der Ebene 2.

3. Bohrmeißel irgendeines vorhergehenden Anspruchs, wobei die Schneidflügel (5, 6) nahe ihrer Spitze (12) mit einer Reihe von scheibenförmigen polykristallinen kompakten Diamantschneidelementen (13) ausgerüstet sind.

4. Bohrmeißel irgendeines vorhergehenden Anspruchs, wobei der Bohrmeißel ein Fischschwanzbohrmeißel ist.

5. Bohrmeißel irgendeines der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bohrmeißel einen domförmigen bzw. gewölbten Bohrmeißelkörper (8) hat, an welchem eine Mehrzahl von Schneidflügeln (5, 6) in gleichmäßig verteilten Winkelintervallen angebracht ist.