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Die
Erfindung betrifft die Gestaltung von Rotary-Blattbohrmeißeln zur
Verwendung beim Bohren von Löchern
in unterirdischen Formationen.
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Wie
gut bekannt ist, umfassen Blattbohrmeißel einen Meißelkörper mit
einem Schaft zum Anschluss an einen Bohrstrang und eine Vielzahl
von am Meißelkörper angebrachten
feststehenden Schneiden. Ein Durchgang im Meißelkörper führt Düsen in der Oberfläche des
Meißels
zum Reinigen und Kühlen
der Schneiden ein Fluid zu. Bei einer häufigen Form des Meißelkörpers umfasst
die Vorderfläche
des Meißels
eine Zahl von umlaufend mit Zwischenraum angeordneten Blättern, die
sich von der Rotationsmittelachse des Meißels weg nach außen erstrecken,
wobei längs
jedes Blatts Schneiden angebracht werden. Bei Bohrmeißeln aus
polykristallinen Diamantpresslingen (PDC) werden einige oder alle
der Schneiden, wenigstens teilweise, aus polykristallinem Diamanten
oder einem anderen superharten Material hergestellt. Eine verbreitete
Form von Schneiden umfasst eine Tafel, üblicherweise kreisförmig oder
teilweise kreisförmig,
die aus einer superharten Platte aus polykristallinem Diamanten
besteht, welche die vordere Schneidfläche der Schneide bereitstellt,
verbunden mit einem Substrat, das üblicherweise aus gesintertem
Wolframkarbid besteht.
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Der
Meißelkörper kann
spanend aus massivem Metall, üblicherweise
Stahl, hergestellt werden oder kann unter Verwendung eines Pulvermetallurgieverfahrens
geformt werden, bei dem Wolframkarbidpulver in einem Industrieofen
mit einem Metall-Legierungsbindemittel infiltriert wird, so dass
es eine harte Matrize bildet. Die allgemeine Gestaltung und Konstruktionsverfahren
solcher Bohrmeißel
sind gut bekannt und werden daher nicht detaillierter beschrieben.
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Es
ist gut bekannt, dass Rotary-Blattbohrmeißel unter bestimmten Bedingungen,
vor allem bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten und hoher Bohrmeißelauflast,
im Ergebnis einer Erscheinung, die häufig als „Ruck-Gleiten" bezeichnet wird,
einer Drehschwingung ausgesetzt sind.
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Beim
Ruck-Gleiten entsteht eine Situation, in der sich die Bohrlochsohlenausrüstung langsamer dreht
als das obere Ende des Bohrstrangs, zum Beispiel auf Grund eines
auf die Bohrlochsohlenausrüstung
wirkenden Reibungsdrehmoments, mit dem Ergebnis, dass der Bohrstrang
beginnt sich aufzuwickeln. Schließlich wird die im Bohrstrang
gespeicherte Torsionsenergie auf die Bohrlochsohlenausrüstung übertragen
und beschleunigt sie auf eine Drehgeschwindigkeit, die höher ist
als die Drehgeschwindigkeit des stabilen Zustands. Dieses Übertragen von
Torsionsenergie vom Bohrstrang auf die Bohrlochsohlenausrüstung kann
periodisch auftreten und Drehschwingungen veranlassen.
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Eine
solche Drehschwingung ist unerwünscht,
weil sie, insbesondere in härteren
Formationen, auf Grund einer Beschädigung der Schneiden im Ergebnis
von durch die Drehschwingung verursachten Stoßbelastungen zu einem schnellen
Verschleiß von
PDC-Meißeln
führen
kann. Die Drehschwingung kann die Wirkung haben, dass Schneiden
am Bohrmeißel
vorübergehend
anhalten oder sich rückwärts, d.h.
in der zur normalen Vorwärtsdrehrichtung
des Bohrmeißels
während
des Bohrens umgekehrten Drehrichtung, drehen. Die Wirkung einer
solchen umgekehrten Drehung auf eine PDC-Schneide kann sein, dass
auf die Schneide ungewöhnliche
Belastungen ausgeübt
werden, die dazu neigen, ein Abplatzen oder Abblättern, d.h., ein Abtrennen
eines Teils oder der Gesamtheit der polykristallinen Diamantdeckschicht
von dem Wolframkarbidsubstrat, zu verursachen. Es wäre daher
wünschenswert,
in der Lage zu sein, Rotary-Blattbohrmeißel zu gestalten,
die nicht anfällig
für das Ruck-Gleiten
sein werden, oder in der Lage zu sein, aus dem vorhandenen oder
vorgeschlagenen Meißelgestaltungen
diejenigen auszuwählen,
die weniger anfällig
für diese
Erscheinung sein werden.
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Bisher
ist es allgemein als wünschenswert angesehen
worden, dass Rotary-Blattbohrmeißel so dynamisch stabil wie
möglich
sind, um alle Arten von Schwingungen während des Bohrens auf ein Minimum
zu verringern. Aus dem gleichen Grund ist es ebenfalls allgemein
als wünschenswert
angesehen worden, dass Bohrmeißel
dynamisch ausgewuchtet werden, außer im Fall der sogenannten „Anti-Wirbel"-Meißelgestaltungen,
bei denen ein absichtlich unausgewuchteter Meißel so gestaltet wird, dass
der Teil des Umfangs des Meißels,
der durch die Netto-Unbalanzkraft gegen die Wand des Bohrlochs gedrückt wird,
frei von Schneiden ist, um so über
die Oberfläche
des Bohrlochs zu gleiten.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung, dass
Meißel,
die eine seitliche Schwingung zeigen, die mit der Rotary-Meißelgeschwindigkeit
zunimmt, weniger anfällig
für das Ruck-Gleiten
sein können
als Meißel,
die dieses Merkmal nicht zeigen. Es hat sich gezeigt, dass eine Zunahme
der seitlichen Schwingung mit einer zunehmenden Rotary-Meißelgeschwindigkeit
in Wechselbeziehung mit einer Zunahme des Meißeldrehmoments steht. Wenn
ein Meißel
mit diesem Merkmal den schnellen Zunahmen der Drehgeschwindigkeit ausgesetzt
wird, die während
des Ruck-Gleitens
auftreten, dient die Zunahme des Drehmoments, die sich aus der Zunahme
der Geschwindigkeit ergibt, dazu, eine Dämpfung der Drehschwingungen
zu gewährleisten,
mit dem Ergebnis, dass der Meißel
wirksamer bohrt und weniger anfällig
für Beschädigung ist.
Die Verringerung von Drehschwingungen kann ebenfalls die Gefahr
einer Ermüdung
im Bohrstrang verringern.
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EP 0467580 beschreibt einen
Bohrmeißel, dessen
Schneiden so angeordnet werden, dass sie ein Radiallkraftungleichgewicht
verursachen.
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Die
vorliegende Erfindung macht von dieser Entdeckung Gebrauch bei der
Gestaltung von Bohrmeißeln,
entweder dadurch, dass sie ein Auswählen derjenigen vorgeschlagenen
Meißelgestaltungen
für die
Entwicklung und Herstellung ermöglicht,
bei denen sich gezeigt hat, dass sie das obige Merkmal haben, oder
durch eine spezifische Gestaltung von Bohrmeißeln oder zugeordneten Bohrlochkomponenten
auf eine Weise, die sichert, dass der Meißel oder die Komponente ein
solches Merkmal zeigen wird.
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Nach
der Erfindung wird eine Verbindung einer Vorrichtung mit einem Rotary-Blattbohrmeißel bereitgestellt
und dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit anspricht
und dafür
geeignet ist, bei einer Steigerung der Meißelgeschwindigkeit das Meißeldrehmoment zu
steigern, wobei die auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit ansprechende
Vorrichtung entweder am Bohrmeißel
selbst oder an einer zusätzlichen Bohrlochkomponente
bereitgestellt wird, die sich bei Anwendung mit dem Bohrmeißel dreht.
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Die
auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit ansprechende
Vorrichtung kann Bremsmittel einschließen, die dafür geeignet
sind, bei Anwendung mit einer Kraft, die sich bei einer Steigerung
der Rotary-Meißelgeschwindigkeit
steigert, auf die gerade gebohrte Formation zu wirken. Die Bremsmittel
können
Elemente einschließen,
die im Verhältnis
zur Rotationsachse nach außen
verschoben werden, um auf die Wand des Bohrlochs in der gerade gebohrten Formation
zu wirken. Die Bremsmittel können
zum Beispiel eine Zahl von Formationseingriffselementen umfassen,
die nach außen
verschoben werden können
unter der Wirkung von Antriebsmitteln, ausgewählt aus: hydraulischem Druck
des dem Bohrmeißel während des
Bohrens zugeführten
Spülschlamms, einer
Quelle elektrischer Leistung, der Bewegung des Bohrmeißels in
Axialrichtung unter Bohrmeißelauflast.
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Bei
einer alternativen Anordnung kann die auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit
ansprechende Vorrichtung Mittel zum Modifizieren der Ausrichtung einer
Zahl von am Bohrmeißel
angebrachten Schneiden umfassen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung
dafür geeignet
sein, bei zunehmender Rotary-Meißelgeschwindigkeit
den Spitzenanschnittwinkel von am Bohrmeißel angebrachten Schneiden
zu verringern, weil eine solche Verringerung des Spitzenanschnittwinkels
das Meißeldrehmoment
steigern wird.
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Als
Alternative oder zusätzlich
dazu kann die Vorrichtung dafür
geeignet sein, bei zunehmender Rotary-Meißelgeschwindigkeit die Schneidtiefe
von am Bohrmeißel
angebrachten Schneiden zu steigern.
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Bei
einer alternativen Anordnung kann die auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit
ansprechende Vorrichtung Mittel umfassen, um bei zunehmender Rotary-Meißelgeschwindigkeit
den wirksamen Schneiddurchmesser des Bohrmeißels zu steigern. Eine solche
Steigerung des wirksamen Schneiddurchmessers wird ebenfalls das
Meißeldrehmoment steigern.
In diesem Fall ist der Nenndurchmesser des Bohrmeißels vorzugsweise
der maximale durch die auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit
ansprechende Vorrichtung ermöglichte
wirksame Schneiddurchmesser. Folglich wird der Bohrmeißel ein
Loch mit dem vollen Durchmesser bohren, wenn er sich mit der maximalen
Geschwindigkeit dreht, und wird ein geringfügig untermaßiges Loch bohren, wenn die Meißelgeschwindigkeit
unter das Maximum abfällt. Da
die Schwankung beim wirksamen Schneiddurchmesser bedeuten wird,
dass einige Teile des Bohrlochs untermaßig sein werden, kann es notwendig sein,
anschließend
diese Abschnitte des Bohrlochs auf den vollen Durchmesser auszuräumen.
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Bei
einer solchen Anordnung kann der Bohrmeißel eine Zahl von Schneiden
oder Schleifelementen einschließen,
die für
eine Bewegung nach innen und nach außen im Verhältnis zur Rotationsachse des
Meißels
am Meißelkörper angebracht
werden, wobei die Schneiden oder Schleifelemente als Reaktion auf
eine zunehmende Rotary-Meißelgeschwindigkeit
nach außen
bewegt werden.
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Bei
einer anderen alternativen Anordnung nach der Erfindung kann die
auf die Rotary-Meißelgeschwindigkeit
ansprechende Vorrichtung eine mit dem Meißel drehbare und von der Rotationsachse des
Meißels
nach außen
angeordnete, Masse umfassen, um bei einer Steigerung der Meißelgeschwindigkeit
das Meißeldrehmoment
zu steigern. Eine solche Masse kann im Meißelkörper selbst oder in einer weiteren
Bohrlochkomponente angebracht werden, die mit dem Bohrmeißel gedreht
werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Graph, der die Zunahme der seitlichen Schwingung mit der Umdrehungszahl
bei einem Rotary-Blattbohrmeißel
mit einer niedrigen Anfälligkeit
für das
Ruck-Gleiten illustriert,
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2 bis 5 sind
schematische Darstellungen, die das mit der Umdrehungszahl zunehmende
Schwingungsmuster bei einem anderen Rotary-Blattbohrmeißel mit
einer niedrigen Anfälligkeit
für das
Ruck-Gleiten zeigen,
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6 und 7 sind
graphische Diagramme, welche die Wechselbeziehung zwischen dem Drehmoment
und der seitlichen Schwingung bei einem Bohrmeißel zeigen,
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8 ist
ein Graph, der ein Diagramm der seitlichen Schwingung bei einem
Bohrmeißel über die
Zeit, verglichen mit einer Zunahme der Umdrehungszahl über die
Zeit, zeigt,
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9 ist
ein entsprechendes Diagramm des Meißeldrehmoments in Abhängigkeit
von der Zeit, das wieder die Wechselbeziehung zwischen dem Meißeldrehmoment
und der seitlichen Schwingung zeigt,
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10 und 11 sind
Diagramme, die das Drehmoment, aufgezeichnet in Abhängigkeit
von der Rotary-Meißelgeschwindigkeit
(Umdrehungszahl), für
eine andere Bohrmeißelgestaltung
zeigen,
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12 bis 14 illustrieren
schematisch drei mögliche
Anordnungen zum Erreichen einer Steigerung des Meißeldrehmoments
mit zunehmender Umdrehungszahl,
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15 zeigt
schematisch ein mögliches
Verfahren zum Antreiben der Vorrichtungen von 12 bis 14,
und
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16 und 17 zeigen
schematisch Anordnungen zum Steigern des wirksamen Durchmessers
eines Bohrmeißels
mit zunehmender Umdrehungszahl.
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1 zeigt
die seitliche Schwingung eines bestimmten Rotary-Blattbohrmeißels (Meißel A),
aufgezeichnet in Abhängigkeit
von der Umdrehungszahl, wobei die Schwingung als seitliche Beschleunigung
in m/s2 aufgezeichnet wurde und die Daten
in Labor-Bohrtests gewonnen wurden. Diese zeigen, dass der Meißel A nicht
stabil ist und eine seitliche Schwingung erfährt, die mit der Drehgeschwindigkeit schnell
auf 60 m/s2 steigt. Es zeigt sich jedoch
im Gegensatz zu der herkömmlichen
Lehre auf dem Gebiet der Bohrmeißel, die der Meinung ist, dass
Meißelstabilität erforderlich
ist, um Drehschwingungen zu verringern, dass der Meißel A während des
Bohrens ein sehr geringes Auftreten des Ruck-Gleitens zeigte.
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Dieses
Merkmal ist auch bei anderen PDC-Bohrmeißeln zu finden gewesen, und 2 bis 5 zeigen
die Muster seitlicher Schwingung bei einem unausgewuchteten Bohrmeißel von
8½ Zoll (Meißel B),
bei einer Zunahme der Rotary-Meißelgeschwindigkeit von 210
U/min auf 300 U/min.
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6 und 7 zeigen
die Wechselbeziehung zwischen seitlicher Schwingung und Drehmoment
bei Meißel
B. In 6 wird das Drehmoment/Bohrmeißelauflast in Fuß in Abhängigkeit
von der seitlichen Beschleunigung in m/s2 aufgezeichnet, und
es wird zu sehen sein, dass über
drei unterschiedliche Tests bei Meißel B ein zunehmendes Drehmoment
von einer zunehmenden seitlichen Schwingung begleitet wird, wogegen
bei einem Test eines ähnlichen
vierten, ausgewuchteten Meißels (Meißel C),
eingekreist in 6 und 7, die Wechselbeziehung
nicht auftritt und es keine bedeutsame Zunahme der seitlichen Schwingung
mit der Zunahme des Drehmoments gibt.
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7 zeigt
dieses Merkmal noch deutlicher, wenn ein dimensionsloser Faktor
= (Drehmoment/Bohrmeißelauflast)/(mm/U)
in Abhängigkeit von
der seitlichen Beschleunigung aufgezeichnet wird.
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Weiter
zeigen 8 und 9 die Wechselwikung zwischen
Drehmoment und seitlicher Schwingung bei einem weiteren Bohrmeißel (Meißel D).
Im Diagramm von 8 werden sowohl die Umdrehungszahl
als auch die seitliche Beschleunigung des Bohrmeißels in
Abhängigkeit
von der Zeit aufgezeichnet. Bei einem Vergleich von 8 mit 9,
in der das Drehmoment in Abhängigkeit
von der Zeit aufgezeichnet wird, wird zu sehen sein, dass das Schwankungsmuster
beim Drehmoment allgemein dem Schwankungsmuster bei der seitlichen
Schwingung entspricht, wobei dies besonders in der Wechselbeziehung
zwischen der Drehmomentspitze in 9 und der
Schwingungsspitze in 8 zu sehen ist, die in der Zeitspanne
von Sekunde 7 bis 9 zusammenpassen.
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10 und 11 zeigen
Diagramme des Drehmoments, aufgezeichnet in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl,
für den
Meißel
A, der eine geringe Neigung zum Ruck-Gleiten zeigte, und es wird zu
sehen sein, dass es in jedem Fall mit zunehmender Umdrehungszahl
einen Anstieg des Drehmoments gibt. Dies wird besonders deutlich
in 10 gezeigt, die aus Labortestbohrungen gewonnene
Daten zeigt. Das Merkmal ist, wenn auch weniger stark gekennzeichnet,
in 11 noch vorhanden, wo die Daten aus Feldbohrungen
gewonnen wurden.
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Es
hat sich gezeigt, dass Bohrmeißel,
die für das
Ruck-Gleiten anfällig
sind, dieses Merkmal des Zunehmens von Drehmoment/Rotary-Meißelgeschwindigkeit
nicht zeigen.
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Eine
Analyse hat ebenfalls gezeigt, dass eine Dämpfung erreicht wird, wenn
die Schneidtiefe mit zunehmender Drehgeschwindigkeit zunimmt. Wie
zu erkennen sein wird, wird allgemein gesprochen eine Zunahme der
Schneidtiefe zu einer Zunahme des Meißeldrehmoments führen, so
dass eine Wechselwirkung zwischen dem Meißeldrehmoment und der Schneidtiefe
zu erwarten ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass Meißel
A und andere Meißel
mit den beschriebenen Merkmalen eine niedrige Neigung zum Ruck-Gleiten
zeigen auf Grund einer Kopplung von seitlicher Schwingung und Drehmoment,
die eine positive Dämpfungscharakteristik
erzeugt, die als „Dynamische
Dämpfung" bezeichnet werden
kann, weil dynamische Wirkungen eine positive Dämpfung zum Verhindern des Ruck-Gleitens gewährleisten.
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Um
diese Hypothese zu überprüfen und
die gegenteilige herkömmliche
Sicht zu untersuchen, dass ausgewuchtete Meißel mit niedriger Schwingung
weniger anfällig
für das
Ruck-Gleiten sind, wurden zwei Versionen von Meißel B hergestellt: eine ausgewuchtete
Version mit einer Unbalanzkraft von nur 2,2 % der Bohrmeißelauflast
und ein anderer, nicht ausgewuchteter Meißel, mit einer Unbalanzkraft von
9,1 % der Bohrmeißelauflast.
Beim Testen dieser Meißel
wurden die Betriebsparameter so gewählt, dass ein Ruck-Gleiten induziert
wurde. Diese schlossen Bohren durch eine harte Formation, hohe Bohrmeißelauflast
und niedrige Drehgeschwindigkeit ein. Die ausgewuchtete Version
des Bohrmeißels
zeigte Ruck-Gleiten, während
die nicht ausgewuchtete Version dies nicht tat. Dieser Test erbrachte
ein Ergebnis, das nicht mit der herkömmlichen Kraftausgleichshypothese übereinstimmte,
und folglich eine Unterstützung
für die
Hypothese, auf der die vorliegende Erfindung basiert.
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Labortests
mit den gleichen zwei Bohrmeißeln
zeigten, dass der ausgewuchtete Meißel, der Ruck-Gleiten zeigte, niedrige
seitliche Schwingungen und eine negative Abhängigkeit des Meißeldrehmoments
von der Umdrehungszahl (negative Dämpfung) hatte. Der weniger
ausgewuchtete Meißel
zeigte stärkere
seitliche Schwingungen bei höheren
Umdrehungszahlen und eine positive Meißeldrehmoment-Umdrehungszahl-Beziehung
(positive Dämpfung).
Die Drehmoment-Umdrehungszahl-Beziehung war ebenfalls offensichtlich
aus unter Tage gewonnenen Daten.
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Das
Verständnis
der obigen Beziehung zwischen Drehmoment, seitlicher Schwingung
und/oder Schneidtiefe und Rotary-Meißelgeschwindigkeit bei Bohrmeißeln, die
weniger anfällig
für Ruck-Gleiten sind,
hat nach der vorliegenden Erfindung zu dem Konzept geführt, diese
Merkmale bei der Gestaltung von Bohrmeißeln zu nutzen.
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Die
einfachste Anwendung des Konzepts bei der Meißelgestaltung ist, die angemessenen
Beziehungen für
vorgeschlagene oder vorhandene Meißelgestaltungen zu ermitteln,
um jene Gestaltungen auszuwählen,
die das Merkmal des Zunehmens von Drehmoment/Rotary-Meißelgeschwindigkeit
oder das Merkmal der korrelierten seitlichen Schwingung oder der
Schneidtiefe zeigen, bei denen sich gezeigt hat, dass sie auf eine
geringe Anfälligkeit
für das Ruck-Gleiten
hinweisen. Die Wirkung von Modifikationen an einer Basismeißelgestaltung
auf die Ruck-Gleit-Anfälligkeit
kann bestimmt werden durch Ermitteln dieser Beziehungen für die Modifikationen und
Auswählen
derjenigen Modifikation, bei der die Beziehungen darauf hinweisen,
dass der tatsächliche
Bohrmeißel
eine geringe Anfälligkeit
für das Ruck-Gleiten
zeigen wird.
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Obwohl
die zum Bestimmen der Merkmale notwendigen Daten von tatsächlichen
Bohrmeißeln, zum
Beispiel durch Untertage-Datenerfassung, gewonnen werden können, wird
zu erkennen sein, dass der Hauptvorteil der Erfindung ist, dass
sie es ermöglichen
wird, dass vorgeschlagene Meißelgestaltungen
wegen des Fehlens der Anfälligkeit
für das Ruck-Gleiten
ausgewählt
werden, bevor die Meißel tatsächlich entwickelt
und hergestellt werden. In diesem Fall können die Merkmale einer vorgeschlagenen
Gestaltung durch die Verwendung von analytischer Software bestimmt
werden, durch die, wie es zuvor erwähnt wurde, ein Rechnermodell
einer vorgeschlagenen Bohrmeißelgestaltung
erzeugt werden kann. Eine für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignete Form einer
analytischen Software ist die der Art, welche die in der US-Patentanmeldung
Nr. 09/160 282 beschriebenen Verfahren anwendet. Diese Software
berücksichtigt
die Bewegung eines PDC-Meißels
(wie beispielsweise Umdrehungszahl und Eindringgeschwindigkeit)
und berechnet dann durch Summieren aller durch Schneiden und andere
Meißelmerkmale
erzeugten Kräfte
die auf den Meißel
wirkenden Gesamtkräfte.
Die Software kann daher leicht verwendet werden, um Drehmoment-Umdrehungszahl-Daten
oder Seitenschwingung-Umdrehungszahl-Daten
oder Schneidtiefe-Umdrehungszahl-Daten hinsichtlich einer beliebigen
vorgeschlagenen Bohrmeißelgestaltung
zu erzeugen.
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Eine
weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die aktive Gestaltung
von Bohrmeißeln oder
zugeordneten Untertage-Komponenten, um das Merkmal des Zunehmens
von Drehmoment/Umdrehungszahl zu erzeugen, das nun als wünschenswert zum
Vermeiden des Ruck-Gleitens angezeigt ist.
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Ein
einfaches Verfahren, um zu gewährleisten,
dass das Drehmoment mit der Rotary-Meißelgeschwindigkeit
zunimmt, ist, den Bohrmeißel
oder eine zugeordnete Untertage-Komponente mit einem einfachen Fliehkraftregler
zu versehen. Zum Beispiel würde
eine Masse von 100 kg, die sich bei einem Radius von 8¾ Zoll
mit 400 U/min dreht, ein Drehmoment von 1415 Fuß-Pfund bereitstellen, und
eine solche Anordnung kann eine ausreichende positive Dämpfung gewährleisten,
um die Anfälligkeit
für das Ruck-Gleiten
auf ein brauchbares Ausmaß zu
verringern. Bevorzugtere Anordnungen sind jedoch jene, die andere
Energiequellen nutzen, um eine Bremsvorrichtung zu betätigen. Solche
Energiequellen können Spülschlammdruck,
gespeicherte Energie (z.B. während
des Glattbohrens gespeicherte elektrische Energie) oder die axiale
Bewegung des Bohrstrangs unter der Bohrmeißelauflast einschließen.
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Die
Bremsvorrichtung kann mit der zylindrischen Bohrlochwand oder mit
der Schneidfläche
des Bohrlochs in Wechselwirkung treten.
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In
dem Fall, in dem die Bremsvorrichtung auf das Bohrloch wirkt, kann
sie die Form von Bremselementen annehmen, die mit Zwischenraum um
den Umfang des Bohrmeißels
oder der zugeordneten Untertage-Komponente angeordnet werden und
so angeordnet werden, dass sie mit zunehmender Rotary-Meißelgeschwindigkeit
nach außen
in einen Eingriff mit der Bohrlochwand verschoben werden.
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12 bis 14 zeigen
schematisch typische Formen, die solche Bremselemente annehmen könnten.
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In 12 hat
die Vorrichtung die Form eines gekrümmten Klotzes 10,
bei 11 schwenkbar angebracht angrenzend an den Umfang 12 des
Bohrmeißels,
wobei die Anordnung derart ist, dass der Klotz 10 dem Drehpunkt 11 im
Verhältnis
zu der durch den Pfeil 13 angezeigten Drehrichtung folgt.
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Bei
der Anordnung von 13 geht der Klotz 14 dem
Drehpunkt 15 im Verhältnis
zur Drehrichtung des Meißels
oder der Komponente voran. Eine solche Anordnung würde eine
Selbstblockadewirkung haben und dadurch das Drehmoment steigern.
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14 zeigt
eine Anordnung, bei der eine Walze 16 so angebracht wird,
dass sie durch einen Kolben 17 nach außen gedrückt werden kann, um sich an
der Bohrlochwand festzuklemmen.
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In
jedem Fall werden Antriebsmittel einer beliebigen der oben erwähnten Arten
bereitgestellt, um die Bremselemente als Reaktion auf ein Ansteigen der
Drehgeschwindigkeit des Bohrmeißels
nach außen
gegen die Bohrlochwand zu drücken. 15 zeigt
schematisch eine Art einer Anordnung, die Gebrauch vom hydraulischen
Druck des Spülschlamms macht,
der während
des Bohrens normalerweise unter Druck dem Bohrmeißel zugeführt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 15 wird auf herkömmliche
Weise Spülschlamm
unter Druck den Bohrstrang 18 hinabgepumpt und wird Düsen 19 in der
Vorderfläche
des Bohrmeißels
zugeführt,
die bewirken, dass der Spülschlamm
längs der
Vorderfläche
des Meißels
nach außen
strömt,
um die Schneiden zu kühlen
und zu reinigen und um das Bohrklein am Kaliberabschnitt des Meißels vorbei
durch den Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und der Wand des Bohrlochs
nach oben zu befördern,
wobei ein solcher Ringspalt in 15 schematisch
bei 20 angezeigt wird.
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Zum
Zweck eines Antriebs der Bremsvorrichtungen, zum Beispiel der in 12 bis 14 gezeigten
Art, führt
ein Durchgang 21 für
Spülschlamm
zu einem Regelventil 22, das Spülschlamm selektiv durch einen
Durchgang 23 den Düsen 19 oder
durch einen Durchgang 24 einem hydraulischen Stellglied 25,
wie beispielsweise einer Kolben-Zylinder-Anordnung, zuführen kann,
um den Bremsklötzen 10, 14, 16 von 12 bis 14 Energie
zuzuführen.
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Das
Regelventil 22 wird so angeordnet, dass es bei einem Anstieg
der Drehgeschwindigkeit des Bohrmeißels oder der anderen Komponente
der Sohlenbaugruppe, an der die Bremsvorrichtungen angebracht werden
können,
einen Anteil des Spülschlamms
von den Düsen 19 zu
den Stellgliedern 25 umleitet. Die Energie für ein solches
Regelventil könnte
unter Verwendung gut etablierter Technologien, zum Beispiel bei
der Schlamm-Impulsfernmessung, aus der Strömung des Spülschlamms erzeugt werden.
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Die
Regeleinrichtung für
das Ventil 22 wird vorzugsweise „festgezurrt" (d.h., am Bohrstrang
befestigt) und wird durch die Geschwindigkeit der Veränderung
der Drehgeschwindigkeit aktiviert. Das Ruck-Gleiten wirkt typischerweise über einen
Zeitraum von etwa 10 bis 20 Sekunden, so dass eine Veränderungsgeschwindigkeit,
die einem Verdoppeln der Umdrehungszahl in 2,5 bis 5 Sekunden entspricht,
auf das Auftreten des Ruck-Gleitens hinweisen würde.
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Das
Meißeldrehmoment
könnte
ebenfalls durch ein Modifizieren der „Aggressivität" des Meißels, definiert
als sein Drehmoment/Bohrmeißelauflast,
verändert
werden. Das Drehmoment kann zum Beispiel durch ein Verringern des
Spitzenanschnittwinkels von am Bohrmeißel angebrachten PDC-Schneiden
gesteigert und zum Beispiel durch Einrasten eines Schneidtiefenbegrenzers
verringert werden. Umgekehrt kann daher das Drehmoment dadurch gesteigert
werden, dass eine Zunahme der Schneidtiefe ermöglicht wird. Die Energie zum
Betreiben solcher Mechanismen ist wieder vorzugsweise hydraulisch.
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Eine
andere Herangehensweise ist das Verändern des Meißeldrehmoments
durch ein Verändern
des wirksamen Schneiddurchmessers des Bohrmeißels. Dies kann durch die Verwendung
eines sich ausdehnenden Meißels
erreicht werden, der über
die Nenngröße hinaus
vergrößert wird.
Vorrichtungen ähnlich
den oben beschriebenen Bremsschuhen könnten an einem nach außen beweglichen
Arm PDC- oder andere Schneiden tragen. Als Alternative dazu könnten Schneiden
an einem hydraulisch betätigten
Kolbenelement, wie es beispielsweise in 16 bei 26 und
in 17 bei 27 angezeigt wird, das längs einer
geneigten Rampe in einen Eingriff mit der umgebenden Wand des Bohrlochs
gleitet, angebracht werden. Eine ähnliche Anordnung könnte ebenfalls
für die
Auswärtsbewegung
von Bremsschuhen für
die zuvor beschriebene Anordnung verwendet werden.
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Die
Kolbenelemente 26 und 27 können hydraulisch betätigt werden,
zum Beispiel unter Verwendung eines Spülschlammsystems der in 15 gezeigten
Art.
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Im
Fall einer Vergrößerung des
wirksamen Schneiddurchmessers des Bohrmeißels würde ein kurzer Abschnitt des
Bohrlochs überdimensioniert sein.
Vorzugsweise würde
daher der maximale wirksame Schneiddurchmesser des Bohrmeißels dem Nenndurchmesser
des Meißels
entsprechen, so dass sich die beweglichen Klötze zurückziehen, wenn die Drehgeschwindigkeit
abfällt,
um die Bohrlochgröße zu verringern,
und sich zur Nennmeißelgröße ausfahren,
wenn die Drehgeschwindigkeit während
des Gleitens zunimmt. In diesem Fall würde sich ein kurzer unterkalibriger
Bohrlochabschnitt ergeben. Es ist zu erwarten, dass eine Ausräumvorrichtung
weiter oben im Bohrloch (nicht unbedingt mit dem Bohrmeißel integriert)
dies korrigieren würde.