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