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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Bohrlochwerkzeuge gerichtet. Genauer
gesagt ist die vorliegende Erfindung auf einen stabilisierten bi-zentralen Bohrmeißel und
Verfahren zur Herstellung desselben gerichtet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
wesentliche Quelle von vielen Bohrproblemen hängt mit Bohrmeißel- und
-gestängeinstabilität, von der
es viele Arten gibt, zusammen. Meißel- und/oder Gestängeinstabilität tritt
wahrscheinlich viel häufiger
auf, als es unter Bezugnahme auf sofort wahrnehmbare Probleme ersichtlich
ist. Wenn jedoch genannte Instabilität schwerwiegend ist, übt sie hohe Beanspruchung
auf eine Bohranlage aus, die nicht nur Bohrmeißel sondern auch Bohrlochwerkzeuge und
das Bohrgestänge
ganz allgemein enthält. Übliche Probleme,
die durch genannte Instabilität
verursacht werden, können,
ohne aber darauf beschränkt zu
sein, übermäßiges Drehmoment,
Richtungsbohrsteuerprobleme und Kernbohrprobleme einschließen.
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Ein
typischer Ansatz zur Lösung
dieser Probleme besteht darin, das Bohrerprodukt überzudimensionieren,
um dadurch gegen die Beanspruchung widerstandsfähig zu sein. Diese Lösung ist
jedoch gewöhnlich
teuer und kann Leistung auf gewissen Arten beschränken. Zum
Beispiel enthält
ein gegenwärtig
käuflich
erhältlicher
Bohrmeißel
verstärkte Polykristallindiamantpreßkörper (Polycrystalline
Diamond Compact "PDC")-Elemente, die durch
Verwendung einer recht großen
kegelförmigen
oder kegelstumpfförmigen
Kontur an dem PDC-Element verstärkt
sind. Der Kegelwinkel ist kleiner als der Spitzenspanwinkel der
Schneideinrichtung, um die Schneideinrichtung in die Formation unter
einem gewünschten
Winkel schneiden zu lassen. Während diese
Ausführung
die PDC-Schneideinrichtungen stärker
macht, damit eine Beschädigung
der Schneideinrichtung reduziert wird, löst sie nicht das primäre Problem
der Bohrerinstabilität.
Somit bleiben Bohrgestängeprobleme,
Richtungsbohrsteuerprobleme und Probleme mit übermäßigem Drehmoment bestehen.
Da die PDC-Diamant-Planscheibe an allen PDC-Schneideinrichtungen
geschliffen werden muß, sind
die auf diese Weise hergestellten Bohrmeißel teurer und im Vergleich
mit demselben Bohrmeißel, der
mit Standardschneideinrichtungen hergestellt ist, weniger beständig gegen
Abreiben.
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Eine
weitere Lösung
im Stand der Technik für Meißelinstabilitätsprobleme
ist auf eine spezielle Art von Meißelinstabilität gerichtet,
die allgemein als Meißelflattern
bezeichnet wird. Meißelflattern
ist ein sehr komplizierter Prozeß, der viele Arten von Meißelbewegungsmustern
oder -bewegungsmoden einschließt,
wobei der Meißel
typischerweise nicht im Bohrloch zentriert bleibt. Die Lösung basiert
auf der Annahme, daß es
unmöglich
ist, einen vollkommen ausgewuchteten Meißel zu entwerfen und zu bauen. Somit
wird ein absichtlich unwuchtiger Meißel in einer Weise bereitgestellt,
die die Meißelstabilität verbessert.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Meißelkräfte die auf den Meißel wirkende
dominante Kraft sein müssen,
damit es funktioniert. Die Meißel
sind allgemein so ausgeführt,
daß sie
für eine Schneidkraftunwucht
sorgen, die im Bereich von ungefähr
500 bis 2000 Pfund in Abhängigkeit
von der Meißelgröße und -art
liegen kann. Leider gibt es viele Fälle, in denen die Schwerkraft
oder Gestängebewegungen
Kräfte
erzeugen, die größer als
die gewünschte
Schneidkraftunwucht sind und somit die dominanten Meißelkräfte werden.
In derartigen Fällen
ist die absichtlich vorgesehene Unwucht beim Verhindern, daß der Meißel instabil
wird und flattert, unwirksam.
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Ein
weiterer Versuch zur Reduzierung von Meißelinstabilität verlangt
Einrichtungen, die allgemein als Eindringbegrenzer bezeichnet werden.
Eindringbegrenzer weisen die Funktion auf, daß sie übermäßiges Eindringen einer Schneideinrichtung
in die Formation, das zum Meißelflattern
oder zur Schneidenbeschädigung
führen
kann, verhindern. Diese Einrichtungen können die Wirkung aufweisen, daß sie nicht
nur Meißelflattern
verhindern, sondern auch Probleme mit radialer Meißelbewegung
oder Kippen, die auftreten, wenn Bohrkräfte nicht ausgewuchtet sind,
verhindern.
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Wie
nachfolgend eingehender erörtert
wird, sollten Eindringbegrenzer vorzugsweise zwei Bedingungen erfüllen. Herkömmliche
Erfahrung schreibt vor, daß,
wenn der Meißel
sanft bohrt (d.h. ohne übermäßige Kräfte auf
die Schneideinrichtungen), die Eindringbegrenzer nicht mit der Formation
in Kontakt sein dürfen.
Zweitens, wenn übermäßige Belastungen
entweder auf den gesamten Meißel
oder auf ein spezielles Gebiet des Meißels auftreten, müssen die
Eindringbegrenzer die Formation kontaktieren und die umgebenden
Schneideinrichtungen am zu tiefen Eindringen in die Formation hindern.
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Eindringebegrenzer
im Stand der Technik sind hinter dem Meißel zur Durchführung dieser Funktion
positioniert. Die Eindringbegrenzer im Stand der Technik versagen
beim effizienten Funktionieren, entweder teilweise oder vollständig, in
mindestens einigen Fällen.
Wenn der Meißel
abgenutzt wird, so daß die
PDC-Schneideinrichtungen eine Abnutzungsfläche entwickeln, werden die
Eindringbegrenzer im Stand der Technik unwirksam, da sie damit beginnen,
die Formation kontinuierlich zu kontaktieren, selbst wenn der Meißel sanft
bohrt. In der Tat benötigt
ein Meißel
mit abgenutzten Schneideinrichtungen nicht wirklich einen Eindringbegrenzer,
da die Abnutzungsflächen
eine Beibehaltung von Stabilität bewirken.
Ein idealer Eindringbegrenzer würde
geeignet funktionieren, wenn die Schneideinrichtungen scharf sind,
aber danach verschwinden, wenn die Schneideinrichtungen abgenutzt
sind.
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Ein
weiteres Manko bei Eindringbegrenzern im Stand der Technik besteht
darin, daß sie
nicht funktionieren können,
wenn sie nach vorne geschwenkt werden, wie dies bei einigen Arten von
Meißelflattern
oder -kippen auftreten kann. Die hintere Positionierung von Eindringbegrenzern
im Stand der Technik führt
dazu, daß sie
so weit von der Formation während
des Meißelkippens
angehoben werden, daß sie
unwirksam werden. Somit würde
der ideale Eindringbegrenzer, um am effektivsten zu sein, mit den Schneideinrichtungen
in einer Reihe statt dahinter oder davor sein. Dieses Positionieren
nimmt jedoch Raum, der für
die Schneideinrichtungen verwendet wird.
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Während der
obige Hintergrund auf Bohrmeißel
im allgemeinen gerichtet worden ist, werden speziellere Probleme
der Meißelinstabilität im Falle des
bi-zentralen Meißels
erzeugt. Bi-zentrale
Meißel sind über zwei
Dekaden als eine Alternative zu Erweiterungsbohren sporadisch verwendet
worden. Ein erwünschter
Aspekt bei dem bi-zentralen Meißel
besteht in seiner Fähigkeit,
durch ein kleines Loch zu treten und danach ein Loch mit einem größeren Durchmesser
zu bohren. Mit dem bi-zentralen Meißel verbundene Probleme schließen jedoch
diejenigen einer kurzen Lebensdauer aufgrund von unregelmäßigen Abnutzungsmustern
und übermäßiger Abnutzung,
die Erzeugung einer kleineren Lochgröße als erwartet und insgesamt
schlechte Dirigiereigenschaften ein.
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Wie
im Falle von herkömmlichen
Bohrermeißeln
sind viele Lösungen
vorgeschlagen worden, um die mit Instabilität und Abnutzung verbundenen obengenannten
Nachteile zu überwinden.
Zum Beispiel ist die Verwendung von Eindringbegrenzern auch genutzt
worden, um die Stabilität
der bi-zentralen Meißel
zu verbessern. Jedoch hat sich der Stand der Technik nicht den mit
der Plazierung von genannten Eindringbegrenzern zum geeigneten Stabilisieren des
bi-zentralen Meißels
verbundenen Schwierigkeiten gewidmet, der durch seine Gestaltung
inhärent instabil
ist. Eindringbegrenzer sind in traditionelleren Anwendungen einfach
hinter mehreren Schneideinrichtungen auf jeder Schneide plaziert
worden und nur das Freilegen der Schneideeinrichtungen über der
Höhe des
Eindringbegrenzers wurde hinsichtlich der Schaffung von geeigneten
Eindringbegrenzungsqualitäten
als kritisch angesehen. Jedoch sind zusätzlich Erwägungen mit der Plazierung von
gestalteten Schneideinrichtungen auf einem bi-zentralen Meißel verbunden, die die Schneidkraft
von sowohl dem Räumer
als auch dem Führungsbohrer
betrachten müssen.
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Gegenwärtige Herstellverfahren
sind auf deren Fähigkeit
beschränkt,
mehr Schneidkraft in Richtung auf die Primärschneiden an dem Räumer zu richten,
was zu hohen Kräften
führt,
die zur Seite des Führungsbohrers
gerichtet sind, der sich gegenüber den
primären
Räumerschneiden
befindet. Dieses Kraftungleichgewicht kann dazu führen, daß der bi-zentrale Meißel unerwünschte Dirigierprobleme, hohes
Drehmoment, unterdimensioniertes Loch und abgebrochene Schneideinrichtungen
aufweist.
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Als
eine Folge von diesen und weiteren vorgelegten Problemen muß der bi-zentrale
Meißel
jetzt sein Potential als eine zuverlässige Alternative zu Erweiterungsbohren
realisieren.
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Die
EP 0058061 offenbart ein
Werkzeug für eine
Erdformation. Das Werkzeug ist ein exzentrischer Lochöffner und
weist einen exzentrischen Abschnitt auf, dessen Grenzfläche Schneidelemente, wie
zum Beispiel polykristalline Diamantpreßkörper, aufweist. Das Werkzeug
weist somit einen Körper
mit einem proximalen Ende, das zur Verbindung mit einem Bohrgestänge gestaltet
ist, und einem distalen Ende auf, das einen Führungsabschnitt definiert.
Es gibt einen mittleren Räumerabschnitt,
der einen größeren Durchmesser
als der Führungsabschnitt
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung strebt danach, ein verbessertes Bohrlochwerkzeug
und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bohrlochwerkzeuges
bereitzustellen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Bohrlochwerkzeug, umfassend
einen Körper,
der ein proximales Ende, das zur Verbindung mit einem Bohrgestänge gestaltet
ist, und ein distales Ende definiert, wobei genanntes distales Ende
einen Führungsabschnitt
und einen mittleren Räumerabschnitt
definiert und wobei sowohl der Führungsabschnitt
als auch der Räumerabschnitt
mit Anstauchungen in Form von Rippen oder Schneiden versehen sind,
die jeweils eine Vielzahl von Schneidelementen aufweisen, die Schneidflächen definieren,
und wobei der Körper
einen Rotationsdurchmesser und einen Durchgangsdurchmesser definiert,
worin Stabilisierungsansätze
mit genanntem Körper
gegenüber
genanntem Räumerabschnitt
oder genanntem Führungsabschnitt
gekoppelt sind.
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Vorzugsweise
definieren die Stabilisierungsansätze die Außendurchmessererstreckung des Werkzeugs.
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Zweckmäßigerweise
sind die Stabilisierungsansätze
mit Schneidelementen mit einem Spitzenspanwinkel im Bereich von
25°–75° versehen.
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Vorteilhafterweise
definieren genannte Stabilisierungsansätze eine radiale Länge, die
als eine Funktion des Außendurchmessers
des Werkzeugs bestimmt ist.
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Vorzugsweise
ist die radiale Länge
als die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Führungsabschnittes
und dem Durchgangsdurchmesser des Werkzeuges definiert.
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Zweckmäßigerweise
sind genannte Stabilisierungsansätze
mit steilen Schneidelementen versehen.
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Vorteilhafterweise
ist der Durchgangsdurchmesser durch zwei Anstauchungen des Räumers, genannt
die Vorder- und Hinteranstauchungen, und einen weiteren Punkt am
Körper
definiert, wobei die Schneidelemente an den Vorder- und Hinteranstauchungen
einen Spitzenspanwinkel von zwischen 25° und 75° mit der Formation definieren.
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Vorzugsweise
umfaßt
der Räumerabschnitt eine
Vielzahl von Anstauchungen, die bei Betrachtung im Querschnitt von
der Werkzeugachse um einen ausgewählten Abschnitt des Werkzeuges
strahlenförmig
wegführen,
und umfassen die Stabilisierungsansätze eine Vielzahl von Ansätzen, die
sich vom Körper
gegenüber
genannten Anstauchungen erstrecken.
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Zweckmäßigerweise
weisen die Stabilisierungsansätze
eine Masse auf, die ausgewählt
ist, um Unwuchtkräfte
auszugleichen, die vom Räumerabschnitt
bei Drehung des Werkzeuges erzeugt werden.
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Die
Erfindung liefert auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrlochwerkzeuges,
wobei genanntes Bohrlochwerkzeug einen Körper umfaßt, der ein proximales Ende,
das zur Verbindung mit einem Bohrgestänge gestaltet ist, und ein
distales Ende definiert, wobei das distale Ende einen Führungsabschnitt
und einen mittleren Räumerabschnitt
definiert und sowohl der Führungsabschnitt
als auch der Räumerabschnitt
mit Anstauchungen in Form von Rippen oder Schneiden versehen sind,
die jeweils eine Vielzahl von Schneidelementen aufweisen, die Schneidflächen definieren,
und wobei der Körper
einen Rotationsdurchmesser und einen Durchgangsdurchmesser definiert,
wobei Stabilisierungsansätze
an genanntem Körper
gegenüber
genanntem Räumerabschnitt
oder genanntem Führungsabschnitt
vorgesehen sind, die Anstauchungen des Führungsabschnittes und des Räumerabschnittes
um eine Drehachse "A" und eine Durchgangsachse "B" angeordnet sind, wobei das Verfahren
umfaßt:
Festlegen
einer Durchgangsachse für
das Werkzeug;
Erzeugen eines Schneidenprofils für den Führungsabschnitt
um die Durchgangsachse;
Anordnen der Schneiden auf den Anstauchungen zum
Abdecken von offenen Gebieten, die im Schneidenprofil identifiziert
sind;
Positionieren der Anstauchungen durch Berechnen des Abstandes
von jeder vorgegebenen Schneide von der Durchgangsachse "B" und der Rotationsachse "A"; und
Orientieren der Schneiden
zur Optimierung von deren Gebrauch, wenn das Werkzeug um entweder
die Achse "A" oder Achse "B" gedreht wird, so daß die Schneidflächen der
Schneiden in zumindest Teilkontakt mit der Formation gebracht werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung enthält
einen Führungsbohrer
mit einem Hartmetallkörper,
der ein proximales Ende, das gestaltet ist, um mit dem Bohrgestänge in Wirkverbindung
gekoppelt zu werden, und eine mit einer Vielzahl von Schneidelementen
versehene Stirnseite definiert, und einem integral auf einer Seite
des Körpers
zwischen dem proximalen Ende und der Stirnseite ausgebildeten Räumerabschnitt.
Der resultierende bi-zentrale
Meißel
ist gestaltet, um im Bohrloch in einer allgemein herkömmlichen
Weise gedreht zu werden und ein Loch mit einem größeren Durchmesser als
dasjenige, durch das er eingeführt
wurde, zu erzeugen.
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Der
Durchmesser des Führungsbohrers weist
typischerweise dieselbe Größe wie die
maximale Werkzeuggröße auf.
Die maximale Werkzeuggröße ist ein
Durchmesser, der von den Werkzeugen bestimmt wird, die direkt über dem
Meißel
verwendet werden sollen und allgemein mit üblichen Motordurchmessern (dies
ist ein bekannter Faktor bei der Gestaltung von bi-zentralen Meißeln) übereinstimmt. In
dem neuen Verfahren wird der Führungsbohrer
einen Betrag im Durchmesser reduziert, der mit dem Kraftbetrag in
Beziehung steht, der zur Verbesserung der Gestaltung erforderlich
ist (Kleinerer Führungsbohrer
entspricht mehr Kraft, die auf den Räumer gerichtet werden kann).
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Die
Ansätze/Flügel, die
zugefügt
werden, sind derart gestaltet, daß sie die Formation bohren, der
zwischen dem reduzierten Führungsbohrerdurchmesser
und dem maximalen Werkzeugdurchmesser angetroffen wird. Da ein kleinerer
Führungsbohrer
größere Ansätze ergibt
und es die Schneideinrichtungen auf dem Ansatz sind, die die Kraft
direkt an den primären
Räumerbohrer
Schneiden erzeugt, gibt uns dann ein kleinerer Führungsbohrer die Fähigkeit,
mehr Kraft in Richtung auf den Räumer
zu richten.
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Damit
die Erfindung leichter verständlich
ist und deren weiteren Merkmale erkannt werden können, wird die Erfindung nun
beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen:
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1 eine
Seitenansicht eines herkömmlichen
bi-zentralen Bohrmeißels
ist;
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2 eine
Stirnansicht der Arbeitsfläche
des in 1 dargestellten bi-zentralen Bohrmeißels ist;
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3A–3C Stirnansichten
eines bi-zentralen Meißels
bei Positionieren in einem Bohrloch sind, die jeweils den Führungsbohrerdurchmesser oder
die maximale Werkzeuggröße, den
Bohrlochdurchmesser und Durchgangsdurchmesser darstellen;
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4A–B eine
herkömmliche
Seitenansicht eines bi-zentralen Meißels darstellen, wie er jeweils in
einer Verrohrung und im Betrieb angeordnet sein kann;
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5 eine
Stirnansicht eines herkömmlichen
bi-zentralen Meißels
ist;
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6 eine
Schneidstruktur darstellt, die an einem Ort in einer Tasche gelötet ist,
die in eine Rippe eines herkömmlichen
bi-zentralen Bohrmeißels gefräst ist;
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7 eine
schematische Umrißansicht
eines beispielhaften bi-zentralen Meißels im Stand der Technik darstellt;
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8 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
des bi-zentralen Meißels
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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9 eine
Stirnansicht des in 8 dargestellten bi-zentralen
Meißels
darstellt;
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10 einen
gedrehten Abschnitt des Führungsabschnitts
des bi-zentralen Meißels
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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11 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
des bi-zentralen Meißels
gemäß der Erfindung von
oben darstellt, wie sie zum Ausbohren eines Verrohrungsschuhs eingesetzt
werden könnte;
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12 eine
Seitenansicht der in 11 dargestellten Ausführungsform
darstellt;
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13 einen
gedrehten Abschnitt des in 9 dargestellten
bi-zentralen Meißels
darstellt, durch die geometrische Achse gezeichnet;
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14 ein
graphisches Profil der an dem Räumerabschnitt
der in den 11–12 dargestellten
Ausführungsform
positionierten Schneideinrichtung darstellt;
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15 eine
schematische Ansicht der Orientierung von Schneideinrichtungen in
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Während die
vorliegende Erfindung in Verbindung mit derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben
wird, versteht es sich, daß die
Erfindung nicht auf diejenigen Ausführungsformen beschränkt werden
soll. Im Gegensatz ist beabsichtigt, daß sie alle Alternativen, Modifikationen
und Äquivalente
abdeckt, die innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung liegen,
der in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1–7 stellen
allgemein einen herkömmlichen
bi-zentralen Meißel
und ein Verfahren zum Betreiben desselben im Bohrloch dar.
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Unter
Bezugnahme auf diese Figuren enthält ein Meißelkörper 2, der aus Stahl
oder einem anderen Hartmetall hergestellt ist, einen Gewindezapfen 4 an
einem Ende zur Verbindung mit dem Bohrgestänge und einen Führungsmeißel 3,
der eine Arbeitsstirnfläche 6 bildet,
an seinem gegenüberliegenden Ende.
Ein Räumerabschnitt 5 ist
mit dem Körper 2 zwischen
dem Zapfen 4 und dem Führungsmeißel einteilig
ausgebildet und bildet, wie dargestellt, eine zweite Arbeitsstirnfläche 7.
Der Begriff "Arbeitsstirnfläche" in der hierin verwendeten
Form schließt
nicht nur den in 2 gezeigten axialen End- oder
axial gewandten Abschnitt, sondern auch angrenzende Gebiete ein,
die sich entlang den unteren Seiten des Meißels 1 und Räumers 5 hinauf
erstrecken.
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Die
Arbeitsstirnfläche 6 des
Meißels 3 wird von
einer Anzahl von Anstauchungen in Form von Rippen oder Schneiden 8 durchschnitten,
die vom unteren zentralen Gebiet des Meißels 3 strahlenförmig wegführen und
sich quer über
die Unterseite und entlang den unteren Seitenflächen von genanntem Meißel 3 hinauf
erstrecken. Die Rippen 8 tragen Schneidelemente 10,
wie dies unten ausführlicher beschrieben
wird. Genau über
den oberen Enden der Rippe 8 bildet der Meißel 3 einen
Kaliber- oder Stabilisierungsabschnitt, enthaltend Stabilisierungsrippen oder
Kaliberblöcke 12 (gauge
pads), von denen jeder) mit einer jeweiligen der Schneideinrichtungen 8 tragenden
Rippe 8 zusammenhängt.
Die Rippen 8 kontaktieren die Wände des Bohrloches, das von
der Arbeitsstirnfläche 6 gebohrt
worden ist, um das Werkzeug 1 zu zentrieren und stabilisieren
und bei der Kontrolle seiner Schwingung zu helfen. (Siehe 4).
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Der
Durchgangsdurchmesser des Bi-Zentrums wird von den drei Punkten
definiert, wo sich die Schneidplatten auf dem Kaliber befinden.
Diese drei Punkte sind in 2 als "x", "y" und "z" dargestellt. Der Räumerabschnitt 5 enthält zwei
oder mehr Schneiden 11, die über dem Führungsmeißel 3 in einer am
besten in 2 dargestellten Weise exzentrisch positioniert
sind. Wie unten beschrieben ist, tragen die Schneiden 11 auch
Schneidelemente 10. Die Schneiden 11 führen strahlenförmig von
der Werkzeugachse weg, aber sind nur um einen ausgewählten Abschnitt
oder Quadranten des Werkzeugs bei Betrachtung im Querschnitt vom
Ende positioniert. Auf diese Weise kann das Werkzeug in ein Bohrloch mit
einem Durchmesser gebracht werden, der geringfügig größer als der maximale Durchmesser
ist, der durch den Räumerabschnitt 5 gezogen
wird, aber dennoch fähig
ist, ein Bohrloch mit wesentlich größerem Durchmesser als der Durchgangsdurchmesser zu
schneiden, wenn das Werkzeug 1 um die geometrische oder
Drehachse "A" gedreht wird. Die
durch den Durchgangsdurchmesser definierte Achse ist bei "B" gekennzeichnet. (Siehe 4A–B.)
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In
der in 1 dargestellten herkömmlichen Ausführungsform
sind Schneidelemente 10 um die Arbeitsstirnfläche 7 des
Räumerabschnitts 5 angeordnet.
Genau über
den oberen Enden von Rippe 11 bildet der Räumerabschnitt 5 einen
Kaliber- oder Stabilisierungsabschnitt, der Stabilisierungsrippen
oder Kaliberblöcke 17 enthält, von
denen jede(r) mit einer jeweiligen der die Schneideinrichtungen
tragenden Rippe 11 zusammenhängt. Die Rippen 11 kontaktieren
die Wände
des Bohrloches, das von der Arbeitsstirnfläche 7 gebohrt worden
ist, um das Werkzeug 1 zu zentrieren und stabilisieren
und bei der Kontrolle seiner Schwingung zu helfen.
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Der
dazwischen liegende Stabilisierungsabschnitt, der von den Rippen 11 und
dem Gewindezapfen 4 gebildet ist, ist ein Schaft 14 mit
Gabelschlüsselflächen 15,
die eingegriffen werden können, um
das Werkzeug 1 an das Bohrgestänge (nicht dargestellt) anzusetzen
und davon zu lösen.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 2 weist
die Unterseite des Meißelkörpers 2 eine
Anzahl von Zirkulationsöffnungen
oder -düsen 15 auf,
die in der Nähe
seiner Mittellinie angeordnet sind. Die Düsen 15 stehen mit den
eingelassenen Flächen
zwischen den Rippen 8 und 11 in Verbindung, wobei
die Flächen
im Gebrauch als Räume
für Flüssigkeitsströmung dienen.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf die 1 und 2 soll der
Meißelkörper 2,
bei Betrachtung nach unten, in der Richtung im Uhrzeigersinn um
die Achse "A" gedreht wird. Somit
weist jede der Rippen 8 und 11 jeweils eine voreilende
Kantenfläche 8a und 11a und
eine nacheilende Kantenfläche 8B und 11B auf.
Wie in 6 gezeigt ist, besteht jedes der Schneidelemente 10 vorzugsweise
aus einem Befestigungskörper 20,
der aus gesintertem Wolframcarbid oder einem anderen geeigneten
Material besteht, und einer Schicht 22 aus polykristallinem
Diamant, die auf der voreilenden Seite des Ansatzes 38 getragen
wird und die Schneidfläche 30A des
Schneidelements bildet. Die Schneidelemente 10 sind in
den jeweiligen Rippen 8 und 11 so befestigt, daß deren Schneidflächen durch
die jeweiligen voreilenden Kantenflächen 8A und 11 freiliegen.
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In
dem in den 1–7 dargestellten herkömmlichen
bi-zentralen Meißel
sind Schneidelemente 10 derart befestigt, daß die Schneidfläche 30A unter
einem aggressiven, geringen Winkel, z.B. 15–20°-Spitzenspanwinkel, in Bezug
auf die Formation positioniert wird. Dies gilt speziell für die Schneidelemente 10,
die an den voreilenden Kanten des Meißelkörpers 2 positioniert
sind. Die Rippen 8 und 11 bestehen selbst vorzugsweise
aus Stahl oder einem anderen Hartmetall. Der Schneidenkörper 38 aus Wolframcarbid
ist vorzugsweise in eine Tasche 32 gelötet und enthält in der
Tasche das überschüssige Lötmaterial 29.
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Wie
im Profil in 7 dargestellt ist, enthält der herkömmliche
bi-zentrale Meißel
normalerweise einen Führungsabschnitt 3,
der einen Außendurchmesser
bildet, der mindestens gleich dem Durchmesser des Meißelkörpers 2 ist.
Auf eine derartige Weise können
Schneideinrichtungen an dem Führungsabschnitt 3 auf
Kaliber schneiden. (Siehe 3.)
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Eine
Ausführungsform
des bi-zentralen Meißels
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist unter Bezugnahme auf die 8–9 ersichtlich. 8 stellt
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des bi-zentralen
Meißels 30 gemäß der vorliegenden Erfindung
dar. Unter Bezugnahme auf die Figuren umfaßt der Meißel 30 einen Meißelkörper 32,
der einen Gewindezapfen an einem Ende 34 für eine Verbindung
mit einem Bohrgestänge
enthält, und
einen Führungsmeißel 33,
der eine Arbeitsstirnfläche 36 bildet,
an seinem gegenüberliegenden
Ende. Ein Räumerabschnitt 35 ist
zwischen dem Zapfen 34 und Führungsmeißel 33 mit dem Körper 32 einteilig
ausgebildet und bildet eine zweite Arbeitsstirnfläche 37.
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Die
Arbeitsstirnfläche 36 des
Führungsabschnitts 33 wird
von einer Anzahl von Anstauchungen in Form von Rippen und Schneiden 38 geschnitten, die
strahlförmig
vom zentralen Gebiet des Meißels 33 wegführen. Wie
in der herkömmlichen
Ausführungsform
tragen Rippen 38 eine Vielzahl von Schneidelementen 40.
Der Räumerabschnitt 35 ist
auch mit einer Anzahl von Schneiden oder Anstauchungen 42 versehen,
wobei die Anstauchungen auch mit einer Vielzahl von Schneidelementen 40 versehen
sind, die selbst Schneidflächen
bilden.
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Die
in den 8–9 dargestellte
allgemeine Ausführungsform
ist mit einem Führungsabschnitt 33 versehen,
der einen kleineren Querschnittsdurchmesser als die in den 1–7 dargestellte
herkömmliche
Ausführungsform
bildet. Das Ausmaß,
in dem der Führungsabschnitt
kleiner ist, wird als eine Funktion der Kraftsteigerung bestimmt, die
in der Richtung entgegengesetzt zum Führungsabschnitt 33 notwendig
ist.
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Außer wenn
speziell angegeben, ist das Verfahren der Herstellung der allgemeinen
Ausführungsform
des bi-zentralen Meißels
dasselbe wie dasjenige, das in den Stammanmeldungen beschrieben
ist. Das Verfahren zur Herstellung von besonderen Ausführungsformen
der Erfindung wird unten dargelegt.
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In
der in 8 dargestellten Ausführungsform bildet der Führungsabschnitt 33 einen
kahlen oder blanken Fleck 44, wo Schneidelemente 40 entfernt
worden sind. Der Fleck 44 ist um eine Anstauchung gebildet,
die um den Mittelpunkt des Bogens angeordnet ist, der von dem Räumerabschnitt 35 gebildet
wird. Der Zweck des Entfernens von Schneidelementen von diesem Gebiet
des Führungsabschnitts 33 besteht
darin, die Kräfte
um diese Anstauchung an dem Führungsabschnitt 33 in
Richtung auf Ansätze 50 zu
verringern, wie dies unten ausführlicher
beschrieben wird. Das Gebiet 44 wird durch Entfernen der
Schneideinrichtung 40 erzeugt, die in dem Gebiet zwischen
90 und 45 Grad entlang der Anstauchung, bei Betrachtung im Querschnitt,
angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Meißel 30 mit
Stabilisierungsansätzen 50 gegenüber dem
Räumerabschnitt 30 versehen
sein. Die Ansätze 50 können an
dem Meißelkörper 32 in
einer herkömmlichen
Weise, z.B. durch Schweißen,
befestigt oder einteilig ausgebildet sein. Die Ansätze 50 dienen
dazu, das äußere diametrale
Ausmaß des Werkzeugs 30 gegenüber dem
Führungsabschnitt 33 zu
definieren. (Siehe 8.) Die Ansätze 50 sind vorzugsweise
mit Schneideinrichtungen 42 versehen, die einen Spitzenspanwinkel
(backrake angle) im Bereich von 25–75° aufweisen.
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Die
Länge der
Ansätze 50,
in radialer Richtung gemessen, ist eine Funktion des Außendurchmessers
des Werkzeuges 30 als Ganzes. In diesem Zusammenhang ist
erwünscht,
daß diese
Länge,
die in 9 als L2 gekennzeichnet
ist, die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Führungsabschnitts 33 und
dem Durchgangsdurchmesser des Werkzeuges 30 ist. Alternativ
können
die Ansätze 50 eine
Länge innerhalb
der Durchgangsdifferenz annehmen.
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Wie
dargestellt ist, können
die Ansätze 50 axial
nahe dem gegenüberliegenden
Räumerabschnitt 35 angeordnet
sein. Alternativ können
die Ansätze
50 um den Führungsabschnitt 33 angeordnet sein,
wobei das Ziel ist, Unwuchtkräfte,
die durch den Räumerabschnitt 35 erzeugt
werden, auszugleichen. In diesem Zusammenhang können die Ansätze 50 an dem
Räumerabschnitt 35 oder
Führungsabschnitt 33 befestigt
sein. Die Verwendung einer großen
Unwucht ist für
Bohrmeißel
(keine bi-zentralen) im wesentlichen bedeutungslos und ist somit
nicht berücksichtigt
worden, da davon ausgegangen wurde, daß es unmöglich ist, dies bei einem bi-zentralen
durchzuführen.
Das Kraftausgleichsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung macht dies möglich
und sorgt für
eine wesentliche Verbesserung über
einer geringen Unwucht. Der Schlüssel
besteht darin, daß das höhere Kraftungleichgewicht
in Richtung auf den Führungsabschnitt
gerichtet würde.
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Es
besteht ein Hauptbedarf bei bi-zentralen Meißeln, Schneideinrichtungen
mit großem
Winkel zu verwenden, um die Unwuchtkräfte zu manipulieren, da es
kein anderes Verfahren gibt, das eine Unwucht erzeugt, die so gering
ist.
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Durch
Hinzufügen
von Schneideinrichtungen mit großem Winkel an Ansätzen 50 wird
der Betrag der Kraft, die auf den Räumerabschnitt 35 gerichtet ist,
wesentlich vergrößert, wodurch
die prozentuale Unwucht des Werkzeuges als Ganzes abnimmt. Die "prozentuale Unwucht" ist das wichtigste
Ergebnis und kleinere Zahlen sind besser. Die Verwendung dieser
Schneideinrichtungen 42 mit großem Winkel in der oben beschriebenen
Weise kann für
eine Werkzeugunwucht von etwa 7,5% bis hinab zu 0% sorgen, oder
kann in gewissen Fällen
ermöglichen, daß die Kraft
in Richtung auf den Räumerabschnitt 35 gelenkt
wird. Das Ergebnis des Kraftausgleichs unter Verwendung von herkömmlichen
Verfahren ergibt eine Unwucht von 17,37%. Ein Wert von 0 bis 5% wird
für die
Ausführung
eines Bohrmeißels
als gut betrachtet und ist in einem bi-zentralen Meißel typischerweise
nicht möglich.
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Ein
Kraftungleichgewicht von 12,29% ist das Ergebnis der Reduzierung
des Führungsabschnittsdurchmessers
und Hinzufügens
von Ansätzen
gegenüber
den primären
Räumerschneiden.
(In diesem Beispiel werden keine Schneideinrichtungen mit großem Winkel
verwendet.) Dies ähnelt
Meißeln,
die in der Vergangenheit unter Verwendung eines kleineren Führungsabschnitts
und Ansätzen
erzeugt wurden. Obwohl diese Zahl besser ist, ist sie weit ab von
dem, was als akzeptabel angesehen wird. Durch Änderung der Ansatzschneideinrichtungen
von Schneideinrichtungen mit normalem Winkel auf großen Winkel
fällt die
Unwucht auf 7,5% ab. (Berechnete Ergebnisse sind nicht gezeigt.)
Für das
bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung
enthält
die Beschreibung alle vier Schritte, einen kleineren Führungsabschnitt,
Ansätze,
Schneideinrichtungen mit großem
Winkel an den Ansätzen
und das Entfernen von Schneideinrichtungen auf einer Seite des Führungsabschnitts.
Das Ergebnis beträgt
hier 4,41%, was nunmehr im "guten" Wertebereich ist.
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Der
bi-zentrale Meißel
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Vielzahl von Anpassungen genießen. Eine
derartige Anpassung stellt eine Ausführungsform dar, um durch einen
Verrohrungsschuh zu bohren, wie dies in den 11–12 dargestellt ist.
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Die
in 11–12 dargestellte
Ausführungsform
ist auch mit einem Führungsabschnitt 103 versehen,
der einen kleineren Querschnittsdurchmesser als die in den 1–7 dargestellte
herkömmliche
Ausführungsform
bildet. Die Verwendung eines geringeren Durchmessers für den Führungsabschnitt 103 dient
dazu, die Möglichkeit
einer Beschädigung
des Bohrloches oder der Verrohrung zu minimieren, wenn das Werkzeug 100 um
die Durchgangsachse "B" gedreht wird.
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In
einem herkömmlichen
Meißel
enthalten Schneideinrichtungen 110, die sich zum Kaliber
erstrecken, allgemein einen geringen Spitzenspanwinkel für maximale
Effizienz beim Schneiden. (Siehe 1.) In dem
bi-zentralen Meißel
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist erwünscht,
daß Schneidelemente
verwendet werden, die eine weniger aggressive Schneideinrichtungshaltung
definieren, wo sie sich zum Kaliber erstrecken, wenn Drehung um
die Durchgangsachse erwünscht
ist. In diesem Zusammenhang ist erwünscht, daß in dieser besonderen Ausführungsform
die Schneideinrichtungen 110 an den voreilenden und nacheilenden
Schneiden 118 am Kaliber einen Spitzenspanwinkel von zwischen 25–75 Grad
mit der Formation bilden.
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Das
Verfahren, mit dem die Ausführungsform
der Schuhschneideinrichtung des bi-zentralen Meißels gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert werden kann, kann wie folgt beschrieben werden. In einem
beispielhaften bi-zentralen Meißel
wird ein Schneidenprofil für den
Führungsmeißel erzeugt.
Die Durchgangsachse wird danach anhand der Größe und Gestalt des Werkzeuges
bestimmt.
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Wenn
der Durchgangsdurchmesser bestimmt ist, wird ein Schneidprofil um
die Durchgangsachse hergestellt. Dieses Profil wird irgendeine notwendige
Bewegung der Schneideinrichtungen 110 zum Abdecken irgendwelcher
offenen, nicht abgedeckten Gebiete an dem Schneidprofil identifizieren. Diese
Schneideinrichtungen 110 können entlang der primären Anstauchung 131 oder
Anstauchungen 132 angeordnet sein, die radial um die geometrische
Achse "A" angeordnet sind.
(Siehe 15.)
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Wenn
die Positionierung der Schneideinrichtungen 110 bestimmt
worden ist, muß die
Position der Anstauchungen selbst festgelegt werden. In diesem Beispiel
wird, wenn ermittelt worden ist, daß eine Schneideinrichtung 110 in
einer ausgewählten Entfernung
r1, von Durchgangsachse "B",
positioniert werden muß,
ein Bogen 49 durch r1 in der in 15 dargestellten
Weise gezogen. Der Schnittpunkt dieses Bogen 49 und einer
durch die Achse "A" gezogene Linie bestimmt
die möglichen
Positionen der Schneideinrichtung 110 an radial angeordneten
Anstauchungen 151.
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Zur
Erzeugung eines arbeitsfähigen Schneidprofils
für einen
bi-zentralen Meißel,
der eine stark kegelige oder konturierte Meißelfläche enthält, wird Komplexität in die
Plazierung von genannten Schneideinrichtungen 110 eingeführt, da
sowohl der Plazierung als auch der Schneideinrichtungshöhe Rechnung
getragen werden muß.
Als eine Folge hat sich herausgestellt, vorzugsweise eine Meißelfläche zu verwenden,
die im Querschnitt im wesentlichen abgeflacht ist. (Siehe 12.)
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Wenn
die Positionierung der Anstauchungen ermittelt worden ist, müssen die
Schneideinrichtungen 110 in einer Weise orientiert werden,
daß sie
deren Verwendung optimieren, wenn das Werkzeug 100 um sowohl
die Durchgangsachse "B" als auch die geometrische
Achse "A" gedreht wird. Durch
Bezugnahme auf die 9 und 15 werden zur
Verwendung in einem herkömmlichen
bi-zentralen Meißel
positionierte Schneideinrichtungen 110 derart orientiert,
daß deren
Schneidflächen
in Richtung auf die Fläche
mit dem Schnitt, z.B. der Formation, orientiert werden. In einem
herkömmlichen
bi-zentralen Meißel werden
jedoch derart an der primären
Anstauchung 131 in dem Gebiet 110 zwischen den
Achsen "A" und "B" orientierte Schneideinrichtungen 110 tatsächlich 180° zur Richtung
des Schnitts orientiert werden, wenn das Werkzeug 100 um
die Durchgangsachse "B" gedreht wird. Um
sich diesem Aspekt zu widmen, wird bevorzugt, daß mindestens der größte Teil
der Schneideinrichtungen 110 an der primären Anstauchung 131 um
das Gebiet 110 entgegengesetzt orientiert wird, so daß deren
Schneidflächen 130A in Kontakt
mit der Formation oder dem Verrohrungsschuh, wie dies der Fall sein
mag, gebracht werden, wenn das Werkzeug 100 um die Achse "B" gedreht wird.
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Die
entlang der primären
Anstauchung 131 außerhalb
des Gebietes 110 im Gebiet 141 angeordneten Schneideinrichtung 110 sind
derart orientiert, daß deren
Schneidflächen 130A in
zumindest teilweisem Kontakt mit der Formation unabhängig von
der Drehachse gebracht werden. Die entgegensetzt um die primäre Anstauchung 131 in
dem Gebiet 142 angeordneten Schneideinrichtungen 110 sind
in einer herkömmlichen
Weise orientiert. (Siehe 15.)
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Nicht
an der primären
Anstauchung 131 befindliche Schneideinrichtungen 110 sind
an radialen Anstauchungen 132 angeordnet. Diese Schneideinrichtungen 110 sind,
während
deren Positionierung durch die Notwendigkeit der Schneidenabdeckung bestimmt
sein kann, wenn das Werkzeug 100 um die Achsen "A" und "B" gedreht
wird, wie dies oben beschrieben ist, an deren jeweiligen Anstauchungen 132 orientiert
oder auf einen Winkel abgeschrägt, daß mindestens
zwanzig Prozent der aktiven Schneidfläche 130 die Formation
eingreift, wenn der bi-zentrale Meißel um die Achse "A" gedreht wird. Als eine Funktion der
Richtung des Schnitts neu dargestellt, beträgt der Abschrägungswinkel
der Schneideinrichtungen 110 von 0°–80°.
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Obwohl
besondere detaillierte Ausführungsformen
der Vorrichtung und des Verfahrens hierin beschrieben worden sind,
sollte verständlich
sein, daß die
Erfindung nicht auf die Details der bevorzugten Ausführungsform
beschränkt
ist. Es sind viele Änderungen
hinsichtlich der Ausführung,
Zusammensetzung, Konfiguration und Abmessungen möglich, ohne aus dem Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung zu gelangen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.