DE19848557A1

DE19848557A1 - Verbesserungen an Bohrköpfen oder Verbesserungen, die Bohrköpfe betreffen

Info

Publication number: DE19848557A1
Application number: DE19848557A
Authority: DE
Inventors: Coy M Fielder; Henry Rebollido; Roger Silva; Brad Weston
Original assignee: Diamond Products International Inc
Current assignee: ReedHycalog LP
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-04-22
Also published as: GB9822567D0; GB2330599B; BE1012924A5; US5992548A; GB2330599A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Bohr köpfe bzw. Tieflochbohrköpfe, die zum Bohren nach Öl-, Gas- und Wasserquellen verwendet werden können, und ein Ver fahren zum Herstellen solcher Bohrköpfe.

Eine bedeutende Ursache für viele Probleme beim Bohren ist die Instabilität von Bohrköpfen und Bohrgestängen, von welchen es viele Typen gibt. Instabilität von Bohrköpfen und/oder Bohrgestängen tritt wahrscheinlich viel öfter auf, als es beim Betrachten sofort erkennbare Probleme schnell ersichtlich ist. Wenn jedoch eine solche Instabilität groß ist, übt sie auf die Bohrausrüstung, die im allgemeinen nicht nur Bohrköpfe, sondern auch Werkzeuge für ein Ab wärtsbohrloch und das Bohrgestänge aufweist, eine hohe Be anspruchung aus. Herkömmliche, durch eine solche Instabili tät verursachte Probleme können ein übermäßiges Drehmoment, Probleme bei der Steuerung einer gerichteten Bohrung und Probleme beim Kernbohren sein, aber sie sind nicht auf diese beschränkt.

Ein typischer Versuch, diese Probleme zu lösen, ist das Überdimensioniern der Bohrprodukte, um dadurch der Bean spruchung zu widerstehen. Diese Lösung ist jedoch sehr teuer und kann in der Tat die Leistung etwas einschränken. Ein herkömmlich erhältlicher Bohrkopf weist z. B. durch ein Formteil aus polykristallinem Diamant (PDC; polycrystalline diamond compact) verstärkte Bauteile auf, die durch Verwen dung einer recht starken Verjüngung oder einer kegel stumpfförmigen Kontur an dem PDC-Bauteil verstärkt sind. Der Kegelwinkel der Schneideinrichtung ist geringer als der Spitzenspanwinkel, so daß es der Schneideinrichtung gestattet ist, unter einem gewünschten Winkel in die Schichtenformation einzudringen bzw. zu schneiden. Während diese Ausgestaltung die PDC-Schneideinrichtungen härter bzw. fester macht, so daß eine Beschädigung der Schneideinrichtung verringert wird, löst es nicht das Hauptproblem, nämlich das Problem der Bohrkopfinstabilität. Die Probleme hinsichtlich des Bohrgestänges, die Probleme beim Steuern einer gerichteten Bohrung und die Probleme eines übermäßigen Drehmoments bleiben somit aufrechterhalten. Weil auch an allen PDC-Schneindeinrichtungen der PDC-Diamanttisch (PDC-diamond ta ble) geschliffen werden muß, sind die auf diese Art und Weise hergestellten Bohrköpfe im Vergleich zu den auf die gleiche Art und Weise hergestellten Bohrköpfen mit Stan dardschneideinrichtungen teurer und gegenüber einem Ver schleiß durch Abrieb weniger widerstandsfähig.

Eine andere Lösung für die Probleme hinsichtlich der Bohrkopfinstabilität aus dem Stand der Technik ist auf ei nen bestimmten Typ einer Bohrkopfinstabilität gerichtet, der im allgemeinen als Bohrkopfwirbeln (bit whirl) bezeich net wird. Bohrkopfwirbeln ist ein sehr komplizierter Vor gang, der viele Arten von Bohrkopfverschiebungsmuster oder -verschiebungsarten aufweist, worin der Bohrkopf in dem Bohrloch typischer Weise nicht zentriert bleibt. Die Lösung basiert auf der Voraussetzung, daß es unmöglich ist, einen Bohrkopf auszugestalten und herzustellen, der sich perfekt im Gleichgewicht befindet. Daher ist ein sich absichtlich im Ungleichgewicht befindlicher Bohrkopf auf eine Art und Weise vorgesehen, die die Bohrkopfstabilität verbessert. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der, daß zum Funktionie ren dieses Verfahrens die Bohrkopfkräfte die dominante, auf den Bohrkopf wirkende Kraft sein müssen. Die Bohrköpfe sind im allgemeinen so ausgestaltet, daß die für ein Schnittkraftungleichgewicht sorgen. Leider gibt es viele Fälle, wo die Schwerkraft oder Bohrgestängeverschiebungen eine Kraft erzeugen, die größer ist als das erzeugte Schnittkraftungleichgewicht und die daher die dominante Bohrkopfkraft wird. In einem solchen Fall ist das beabsich tigt hergestellte Ungleichgewicht, das den Bohrkopf daran hindert, daß er instabil wird und wirbelt, unwirksam.

Noch ein anderer Versuch, die Instabilität zu verrin gern, erfordert Einrichtungen, die im allgemeinen als Ein dringungsbegrenzungseinrichtungen bezeichnet werden. Ein dringungsbegrenzungseinrichtungen arbeiten, um ein übermä ßiges Eindringen einer Schneideinrichtung in die Schichten formation zu verhindern, das zu einem Bohrkopfwirbeln oder zu einer Beschädigung der Schneideinrichtung führen kann. Diese Einrichtungen können so arbeiten, daß nicht nur das Bohrkopfwirbeln, sondern auch eine radiale Bohrkopfverschiebung oder die Probleme einer Verkippung verhindert werden, die dann auftreten, wenn sich die Bohrkräfte nicht im Gleichgewicht befinden.

Wie im folgenden eingehender erörtert wird, sollten Eindringungsbegrenzungseinrichtungen vorzugsweise zwei Be dingungen erfüllen. Herkömmliches Fachwissen schreibt vor, daß, wenn der Bohrkopf gleichmäßig bohrt (d. h., ohne über mäßige Kräfte an den Schneideinrichtungen), die Eindrin gungsbegrenzungseinrichtungen mit der Schichtenformation nicht in Berührung stehen dürfen. Wenn entweder an dem ge samten Bohrkopf oder an einem bestimmten Abschnitt des Bohrkopfes übermäßige Belastungen auftreten, müssen zudem die Eindringungsbegrenzungseinrichtungen die Schichtenfor mation berühren und die umgebenden Schneideinrichtungen daran hindern, in die Schichtenformation zu tief einzudrin gen.

Die Eindringungsbegrenzungseinrichtungen aus dem Stand der Technik sind hinter dem Bohrkopf angeordnet, um diese Funktion durchzuführen. Die Eindringungsbegrenzungseinrich tungen aus dem Stand der Technik versagen in wenigstens ei nigen Fällen entweder teilweise oder vollständig, wirkungsvoll zu funktionieren. Wenn der Bohrkopf einmal verschlissen ist, so daß die PDC-Schneideinrichtungen eine Verschleißfläche entwickeln, werden die Eindringungsbegrenzungseinrichtungen aus dem Stand der Technik unwirksam, weil sie damit beginnen, daß sie sogar dann, wenn der Bohrkopf das Bohren gleichmäßig ausführt, die Schichtenformation kontinuierlich berühren. In Wirklichkeit benötigt ein Bohrkopf mit verschlissenen Schneideinrichtungen nicht wirklich eine Eindrin gungsbegrenzungseinrichtung, weil die Verschleißflächen so wirken, daß sie die Stabilität aufrechterhalten. Eine ideale Eindringungsbegrenzungseinrichtung würde richtig ar beiten, wenn die Schneideinrichtungen scharf sind, aber sie würde anschließend verschwinden, wenn die Schneid einrichtungen einmal verschlissen sind.

Ein Defizit der Eindringungsbegrenzungseinrichtungen aus dem Stand der Technik ist, daß sie nicht funktionieren können, wenn der Bohrkopf vorwärts bewegt wird, wie es bei einigen Typen des Wirbelns oder Verkippens auftritt. Das rückwärtige Anordnen der Eindringungsbegrenzungseinrich tungen aus dem Stand der Technik führt dazu, daß sie wäh rend der Bohrkopfverkippung von der Schichtenformation so weit angehoben werden, daß sie unwirksam werden. Um beson ders wirksam zu sein, würde somit die ideale Eindringungs begrenzungseinrichtung mit den Schneideinrichtungen eher in einer Linie als hinter oder vor diesen angeordnet sein. Dieses Anordnen benötigt jedoch Raum, der für die Schneid einrichtungen verwendet wird.

Bestimmte Probleme einer Bohrkopfinstabilität treten in dem Fall eines Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten (bi-centre bit) auf. Bohrköpfe mit zwei Mittelpunkten sind seit über zwei Jahrzehnten gelegentlich als Alternative zum Nachbohren verwendet worden. Ein wünschenswerter Aspekt des Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten ist seine Fähigkeit, daß er durch ein kleines Loch hindurch geht und das Loch anschließend auf einen größeren Durchmesser aufbohrt.

Probleme, die jedoch mit dem Bohrköpfen mit zwei Mittelpunkten verbunden sind, sind eine kurze Lebensdauer aufgrund von unregelmäßigen Verschleißmustern und eines übermäßigen Verschleißes, die Erzeugung einer geringeren Lochgröße als erwartet und allgemein schlechte gerichtete Eigenschaften.

Es sind viele Lösungen vorgeschlagen worden, um die obigen Nachteile, die mit einer Instabilität und einem Ver schleiß verbunden sind, zu überwinden. Es sind z. B. Ein dringungsbegrenzungseinrichtungen verwendet worden, um die Stabilität des Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten zu erhö hen. Im Stand der Technik hat man sich jedoch nicht den Schwierigkeiten gewidmet, die mit dem Anordnen von solchen Eindringungsbegrenzungseinrichtungen verbunden sind, um den Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten richtig zu stabilisieren, der durch seine Ausgestaltung von Natur aus instabil ist. Eindringungsbegrenzungseinrichtungen sind in älteren Anmel dungen einfach an jedem Blatt hinter mehreren Schneidein richtungen angeordnet worden und es wurde nur als äußerst wichtig erachtet, daß die Schneideinrichtungen über der Bauhöhe der Eindringungsbegrenzungseinrichtung hinaus freilagen, um geeignete Qualitäten einer Eindringungsbegrenzungseinrichtung zu schaffen. In dem Anordnen von geformten Schneideinrichtungen an einem Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten sind jedoch noch zusätzliche Gesichtspunkte enthalten, die die Schnittkraft des Erweiterungsbohrers und des Vorbohrers berücksichtigen müssen.

Als Ergebnis dieser und anderer angeführter Probleme muß der Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten noch seine Möglichkeit bzw. Fähigkeit als zuverlässige Alternative zum Nachbohren verwirklichen.

Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist ein Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten mit einer verbesserten Stabilität vorgesehen, der einen Körper aufweist, welcher einen nahen Endabschnitt, der dazu geeignet ist, daß er mit einem Bohr gestänge verbunden wird, einen fernen Endabschnitt und eine Längsachse definiert, worin der ferne Endabschnitt einen VorhBohr und einen mittleren Erweiterungsbohrerabschnitt aufweist, wobei der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrerab schnitt jeweils wenigstens eine Staucheinrichtung aufwei sen, die Schneidflächen aufweist, wobei der Erweiterungs bohrerabschnitt an der oder einer ersten Staucheinrichtung des Erweiterungsbohrerabschnittes eine vordere Schneidfläche und an der oder der letzten Staucheinrichtung des Erweite rungsbohrerabschnittes eine hintere Fläche definiert, wobei eine Vielzahl von Schneideinrichtungsanordnungen um die Schneidflächen des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrerab schnittes angeordnet ist, wobei die Staucheinrichtung oder die Staucheinrichtungen des Erweiterungsbohrerabschnittes einen bogenförmigen Abschnitt beschreiben, dessen Grenzen durch die Achse, die vordere Schneidfläche und die hintere Fläche definiert sind, worin dieser Abschnitt einen Bogen mit einem Mittelpunkt definiert und worin wenigstens eine erste Schneidfläche an dem Vorbohrer zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt um die Achse herum angeordnet ist.

Vorzugsweise sind um die vordere Fläche des Erweite rungsbohrers entlang der Linie, die durch die resultierende Kraft des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrerabschnittes definiert ist, geformte Schneideinrichtungsanordnungen angeordnet, um das Kräfteungleichgewicht weiter zu minimieren.

Geeigneterweise sind die die Schneideinrichtungsanord nungen um die Schneidflächen des Vorbohrers und des Erwei terungsbohrerabschnittes winkelig angeordnet, um die Resul tierende der Vektorsumme aus der Normalkraft F_n, die auf dem Bohrkopf senkrecht steht, der Vertikalkräfte F_v, die auf den Bohrkopf wirken, und dem Bohrkopfdrehmoment F_x zu minimieren.

Vorteilhafterweise sind die Schneideinrichtungsanord nungen um den Erweiterungsbohrerabschnitt und dem Vorbohrer gemäß einem Verschleißanalysevorsprung des Werkzeugs radial versetzt angeordnet.

Geeigneterweise weist jede der Schneideinrichtungsan ordnungen einen PDC-Abschnitt und einen Körperabschnitt auf.

Vorzugsweise bestehen die Schneideinrichtungen aus Formteilen aus polykristallinem Diamant, die an einer Halterung aus Wolframkarbid durch Hartlöten angeordnet sind.

Der Bohrkopf kann zudem Eindringungsbegrenzungseinrich tungen aufweisen. Die Eindringungsbegrenzungseinrichtungen können um den Vorbohrer an den Schneidflächen angeordnet sein, die um eine Linie ausgeformt sind, welche durch die resultierende Kraft des Vorbohrers und des Erweiterungsboh rerabschnittes definiert ist. Der Bohrkopf kann Eindrin gungsbegrenzungseinrichtungen aufweisen, die um den Vorboh rer an Schneidflächen angeordnet sind, wobei die Eindrin gungsbegrenzungseinrichtungen zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt um die Achse herum angeordnet sind.

Vorzugsweise weist jede der Eindringungsbegrenzungsein richtungen ein umgedrehtes, geschoßförmiges Wolfram-Bauteil auf.

Geeigneterweise weist jede der Eindringungsbegrenzungs einrichtungen eine geformte Schneideinrichtung auf.

Vorteilhafterweise weist die geformte Schneideinrich tung einen im allgemeinen geschoßförmigen Körper aus Wolf ramkarbid auf, der an einer PDC-Schneideinrichtung angeord net ist.

Geeigneterweise sind die geformten Schneideinrichtungen an einer Schneidfläche unter einem ausgewählten Spitzen span-winkel β angeordnet.

Vorzugsweise weist der PDC-Abschnitt eine kegel stumpfförmige oder abgeschrägte Kante auf, die einen Spit zenspanwinkel A definiert, worin der Winkel A größer ist als der Spitzenspanwinkel β.

Vorteilhafterweise ist an dem Vorbohrer eine zweite Schneidfläche vorgesehen, die im wesentlichen nach unten entgegengesetzt zu der ersten Schneidfläche an dem Vorboh rer angeordnet ist.

Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Verbessern der Stabilität einer Bohrkopfanordnung, wenn in einem Bohrloch durch eine Schichtenformation gebohrt wird, vorgesehen, worin der Bohrkopf einen Körper mit einem nahen Endabschnitt, der mit dem Bohrgestänge betriebsfähig in Eingriff gebracht werden kann, und einen fernen Endabschnitt aufweist, der einen Vorbohrer definiert, welcher eine Achse aufweist, worin zudem eine Seite des Körpers zwischen dem fernen und dem nahen Endabschnitt einen Erweiterungsbohrer-abschnitt de finiert, worin der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrab schnitt eine Reihe von Schneidflächen definieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Radiales Anordnen von einer Vielzahl von Schneideinrichtungsanordnungen um die Schneidflächen des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrabschnittes, worin die Schneidflächen an dem Erweiterungsbohrerabschnitt eine vordere Fläche und ei ne hintere Fläche definieren; und Anordnen einer ersten Schneidfläche des Vorbohrer, entgegengesetzt zu dem Erweiterungsbohrer, innerhalb 10° von einer Linie von einem Mittelpunkt zu einer Linie, die die äußersten radialen Punkte der vorderen und hinteren Flächen verbindet und durch die Achse hindurchgeht oder die zu der Linie senkrecht gezeichnet ist, so daß sie sich von dem Er weiterungsbohrer weg erstreckt.

Das Verfahren weist zudem Schritt auf, bei dem geformte Schneideinrichtungen entlang der vorderen Schneidfläche des Erweiterungsbohrers angeordnet werden.

Vorzugsweise weisen die geformten Schneideinrichtungen geformte Formteile aus polykristallinem Diamant auf.

Herkömmlicherweise weist der Erweiterungsbohrer eine vordere Staucheinrichtung und anschließende Staucheinrich tungen auf, an welchen die Schneideinrichtungsanordnungen angeordnet sind, worin die Schneideinrichtungsanordnungen, die an der Staucheinrichtung angeordnet sind, hinsichtlich der Schichtenformation mit einem verringerten Anströmungs winkel versehen sind, wenn sie mit anderen Schneideinrich tungsanordnungen an dem Bohrkopf verglichen werden.

Vorteilhafterweise sind geformte Schneideinrichtungsan ordnungen entlang von Staucheinrichtungen angeordnet, die entlang oder unmittelbar zu der Linie der resultierenden Kraft des Werkzeugs angeordnet sind.

Das Verfahren kann zudem zudem den Schritt aufweisen, bei dem der Erweiterungsbohrerabschnitt in bezug auf den Vorbohrer angeordnet wird, um das Schnittkraftungleichge wicht zwischen dem Vorbohrer und dem Erweiterungsbohrerab schnitt zu minimieren.

Das Verfähren kann auch den Schritt aufweisen, bei dem eine Schneidfläche an dem Vorbohrer innerhalb 170 bis 190°, von der Achse des Bohrers aus gemessen, der ersten Schneid fläche vorgesehen wird.

Die vorliegende Erfindung widmet sich Nachteilen, die gewöhnlich mit der Instabilität und den schlechten Ver schleißeigenschaften verbunden sind, die mit Bohrköpfen und insbesondere mit Bohrköpfen mit zwei Mittelpunkten verbun den sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung weist im allgemeinen einen Vorbohrer, der einen Hartmetallkörper, welcher einen nahen Endabschnitt, der da zu geeignet ist, daß er mit dem Bohrgestänge wirkverbunden ist, und eine Endfläche definiert, die mit einer Vielzahl von Schneidelementen versehen ist, und einen Erweiterungsbohrerabschnitt auf, der an einer Seite des Körpers zwischen dem nahen Endabschnitt und der Endfläche integral ausgeformt ist. Der sich daraus ergebende Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten (bi-centre bit) ist geeignet, daß er in dem Bohrloch auf herkömmliche Art und Weise gedreht wird, so daß er ein Loch erzeugt, das einen größeren Durchmesser aufweist als das Loch, durch das er eingeführt worden ist.

Der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrer können mit ei ner Vielzahl von PDC-Schneideinrichtungsanordnungen über der Schneidfläche ihrer Endflächen versehen sein. Die PDC-Schneideinrichtungsanordnungen können wenigstens eine PDC-Anordnung aufweisen, die von einem mittigen Bereich axial und seitlich beabstandet ist. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung ist ein erster Metallkörper in der Nähe von wenigstens einer letzten PDC-Schneideinrichtung angeordnet und weist eine erste profilierte Gleitfläche auf, die sich eher von einem im wesentlichen kontinuierli chen Kontakt mit der Bohrlochwandung nach außen erstreckt als daß sie in die Bohrlochwandung schneidet. Radial nach außen ist ein zweiter Metallkörper oder eine Eindringungs begrenzungseinrichtung angeordnet und er/sie weist eine zweite profilierte Gleitfläche auf, die sich nach außen we niger weit erstreckt als die benachbarte PDC-Schneidein richtung und er/sie ist betätigbar, mit der Schichtenforma tion in Eingriff zu gelangen, wenn die benachbarte PDC-Schneideinrichtung in die Schichtenformation zu tief schneidet, so daß er mit der Schichtenformation eher im wesentlichen in Gleiteingriff als in Schneideingriff gelangt.

Der Metallkörper berührt die Bohrlochwandung in bezug auf die Bohrdrehrichtung unmittelbar vor einer endgültigen PDC-Schneidwerkzeug-Anordnung. Der zweite Metallkörper oder die Eindringungsbegrenzungseinrichtung ist vorzugsweise mit einem PDC-Bauteil versehen. Der zweite Metallkörper erstreckt sich zu der Schichtenformation hin um einen Abstand nach außen, der wenigstens bei einem neuen Bohrkopf größer ist als das PDC-Bauteil.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind über der Vor derkante des Erweiterungsbohrers geformte PDC-Anordnungen so angeordnet, daß sie als Eindringungsbegrenzungsein richtung wirken. Als Alternative kann der Schnittwinkel von Standardschneideinrichtungen an dem Erweiterungsbohrer verringert werden, um die Schnittiefe des Erweiterungsboh rers zu verringern. Als Alternative oder aber zusätzlich dazu wird anschließend für den Vorbohrer und den Erweite rungsbohrer eine Schnittkraftberechnung durchgeführt, um für die Schneideinrichtungsanordnungen an dem Vorbohrer zu einer Winkelposition zu gelangen. Anschließend wird eine Modifikation zu diesem Anordnen unternommen, um die Differenzen der Schnittkrafthöhe zwischen dem Vorbohrer und dem Erweiterungsbohrer zu minimieren. Anschließend wird die relative Position des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrers eingestellt, um das Kräfteungleichgewicht zwischen dem Vorbohrer und dem Erweiterungsbohrer zu minimieren. Dann werden geformte PDC-Anordnungen über den Schneidflächen des Vorbohrers entlang und ungefähr in die Richtung der resultierenden Kraft angeordnet, um eine Drehung um die Mittellinie aufrechtzuerhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ungefähr bei 180° von der durch den Erweiterungsbohrer definierten Mit tellinie eine erste Staucheinrichtung (upset) angeordnet, wobei die erste Staucheinrichtung mit ersten Metallkörpern versehen ist, um eine Drehung des Bohrkopfes um die Mittellinie aufrechtzuerhalten. In noch einer anderen Ausführungsform ist bei ungefähr 180 gegenüber der ersten Staucheinrichtung eine zweite Staucheinrichtung vorgesehen und sie ist auch mit ersten Metallkörpern versehen.

Die Erfindung wird nun in bezug auf die beigefügte Zeichnung als Beispiel beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohr kopfes mit zwei Mittelpunkten;

Fig. 2 eine Ansicht von unten von der Bearbeitungsseite bzw. -fläche des Bohrkopfes gemäß der Fig. 1;

die Fig. 3A bis C Ansichten von unten von einem Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, wie er in einem Bohrloch angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Vorbohrers, der Durchmesser des Bohrlochs bzw. der Durchgangsdurchmesser dargestellt sind;

die Fig. 4A bis B Seitenansichten eines Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten, während er in einem Gehäuse angeordnet bzw. in Betrieb ist;

Fig. 5 eine Ansicht von unten von einem Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei die zwei Mittelpunkte im Ungleichgewicht dargestellt sind;

Fig. 6 eine Schneidstruktur, die in einer Tasche, welche in eine Rippe des Bohrkopfes gemäß den Fig. 1 und 2 geschnitten worden ist, durch Harlöten angeordnet worden ist;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines beispielhaf ten Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten;

Fig. 8 ein Diagramm, das eine Verschleißkurve für den in Fig. 7 dargestellten Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten darstellt;

Fig. 9 ein Diagramm, das die radialen Positionen für den beispielhaften Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten aus Fig. 7 zeigt;

Fig. 10 eine grafische Darstellung, die die Vektoraddi tion und das vektorielle Anordnen zeigt, das ausgeführt worden ist, um die Gesamtkraft des beispielhaften Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten der Fig. 7 zu erzielen;

Fig. 11 ein Diagramm, das Details der Schneideinrichtungsposition für den Vorbohrer enthält;

die Fig. 12A und 12B Diagramme, die Details der Schneid einrichtungspositionen für den Bohrkopf mit zwei Mittel punkten darstellen;

Fig. 13 eine schematische Ansicht von jeder der Kräfte F_v, F_n und F_x bei einer vorgegebenen Schneideinrichtung;

Fig. 14 eine schematische Ansicht, die ein Ineingriff stehen der geformten Schneideinrichtung mit dem Bohrloch zeigt, wo der Flankenwinkel des PDC-Bauteils größer ist als der Spitzenspanwinkel der Schneideinrichtung;

Fig. 15 eine schematische Ansicht eines halbkugelförmi gen, metallischen Einsatzteils, das mit einer Bohr lochwandung gerade vor einem PDC-Schneideinrichtungsbauteil in bezug auf eine Bohrerdrehrichtung in Eingriff steht;

Fig. 16 eine schematische Ansicht, die eine geformte Schneideinrichtung zwischen zwei PDC -Schneidanordnungen zeigt;

Fig. 17 eine schematische Ansicht, die ein Ineingriff stehen von geformten Schneideinrichtungen an dem Bohrloch zeigt;

Fig. 18 eine Ansicht von unten einer anderen Ausfüh rungsform eines Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 19 eine detaillierte Ansicht von unten von noch einer anderen Ausführungsform eines Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten.

Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist es so zu verstehen, daß es nicht beabsichtigt ist, daß die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil, es besteht die Absicht, daß alle Alternati ven, Modifikationen und äquivalenten Ausführungsformen ab gedeckt sind, die in der Erfindung enthalten sind, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Allgemeiner Aufbau des Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten bzw. einen Bi-Center-Bohrkopf (bi-centre drill bit) vom Typ herkömmlicher Bohrkopf mit zwei Mittel punkten, bei dem die Methodik der Herstellung der vorlie genden Erfindung verwendet werden kann. Ein Bohrkopfkörper 2, der aus Stahl oder einem anderen Hartmetall hergestellt worden ist, weist an einem Endabschnitt einen Stift 4 mit Gewinde, um ihn mit einem Bohrgestänge zu verbinden, und an seinem entgegengesetzten Endabschnitt einen Vorbohrer 3, der eine Betätigungsendfläche 6 definiert, auf. Zwischen dem Stift 4 und dem Vorbohrer 3 ist ein Erweiterungsbohrab schnitt 5 integral mit dem Körper 2 ausgeformt und definiert eine zweite Bearbeitungsendfläche 7, wie es dargestellt worden ist. "Die Bearbeitungsendfläche", wie sie hier verwendet worden ist, weist nicht nur den axialen Endabschnitt oder den axialen stirnseitigen Abschnitt auf, der in Fig. 2 gezeigt ist, sondern auch aneinandergrenzende Abschnitte, die sich entlang der unteren Seitenabschnitte der Bohrspitze 1 und des Erweiterungsbohrers 5 nach oben erstrecken.

Über die Bearbeitungsendfläche 6 des Vorbohrers 3 ver laufen quer eine Anzahl von Staucheinrichtungen (upsets) in der Form von Rippen oder Blättern 8, die von dem unteren mittigen Abschnitt des Vorbohrers 3 radial nach außen ver laufen und sich quer über die Unterseite und entlang der unteren Seitenfläche des Vorbohrers 3 nach oben erstrecken. Die Rippen oder Blätter 8 sind um den gesamten Umfang des Körpers 2 herum gleichmäßig beabstandet angeordnet. Die Rippen 8 weisen Schneideinrichtungen 10 auf, wie unterhalb ausführlicher beschrieben wird. Unmittelbar über den oberen Endabschnitten der Rippen 8 definiert der Vorbohrer 3 einen Sollmaß- oder Stabilisierungsabschnitt, welcher Stabili sierungsrippen oder Stoßeinrichtungen (kickers) 12 auf weist, von welchen jede mit einer dieser Rippen 8, die Schneideinrichtungen aufweisen, kontinuierlich verläuft. Die Rippen 8 stehen mit der Wandung des Bohrlochs in Verbindung, das durch die Bearbeitungsendfläche 6 aufge bohrt worden ist, um das Werkzeug 1 zu zentrieren und zu stabilisieren und um die Steuerung die Kontrolle seiner Schwingung zu unterstützen (siehe Fig. 4).

Der Erweiterungsbohrerabschnitt 5 weist zwei oder mehr Blätter 11 auf, die oberhalb des Vorbohrers 3 in einer Art und Weise exzentrisch angeordnet sind, die am besten in Fig. 2 dargestellt ist. Die Blätter 11 weisen auch Schneid einrichtungen 10 auf, wie unterhalb beschrieben wird. Vom unteren Ende aus betrachtet erstrecken sich die Blätter 11 von der Werkzeugachse radial nach außen, aber sie sind nur über einem ausgewählten Abschnitt eines Quadranten des Werkzeugs angeordnet. In einer solchen Art und Weise kann das Werkzeug 1 in ein Loch getrieben werden, das gering fügig größer ist als der maximale Durchmesser, der durch den Erweiterungsbohrerabschnitt 5 hindurch gezogen worden ist, und es kann dazu fähig sein, ein Bohrloch zu bohren, das einen im wesentlichen größeren Durchmesser als den Durchgangsdurchmesser aufweist. Es wird auf die Fig. 3A bis 3C bezug genommen, die den Durchmesser eines Vorbohrers und den Durchmesser eines Bohrlochs zeigen. Es ist zudem der minimale Durchgangsdurchmesser des Werkzeugs gezeigt, der geringfügig größer als der Durchmesser eines Vorbohrers, aber geringer als der Durchmesser eines Bohrlochs ist.

Fig. 4A zeigt das Werkzeug, das durch ein Gehäuse hin durchgeht, welches einen Durchmesser aufweist, der gering fügig größer ist als der minimale Durchgangsdurchmesser und Fig. 4B zeigt das Werkzeug während es ein Loch bohrt, das einen größeren Durchmesser als den Durchgangsdurchmesser aufweist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind um die Bearbeitungsend fläche 7 des Erweiterungsbohrerabschnittes 5 Schneideinrichtungen 10 angeordnet. Unmittelbar oberhalb der oberen Endabschnitte der Rippe 11 definiert der Erweiterungsbohrerabschnitt 5 Sollmaß- oder Stabilisatorrippen oder Stoßeinrichtungen (kickers) 17, von welchen jede mit einer Rippe 11, die Schneideinrichtungen aufweist, kontinuierlich in Verbindung steht. Die Rippen 11 berühren die Wandungen des Bohrlochs, das durch die Betätigungsendfläche 7 gebohrt worden ist, so daß das Werk zeug 1 weiter zentriert und stabilisiert wird und daß die Kontrolle über seine Schwingung unterstützt wird.

Ein Zwischenstabilisierungsabschnitt, der durch die Rippen 11 und den Stift 4 definiert ist, ist ein Schaft 14, der Flächen für einen Schraubenschlüssel (wrench flats) 15 aufweist, die so in Eingriff gebracht werden können, daß das Werkzeug 1 an dem (nicht gezeigten) Bohrgestänge angeordnet oder von diesem entfernt wird. Es wird nochmals auf Fig. 2 bezug genommen. Die Unterseite des Bohrkopfkörpers 2 weist eine Anzahl von Zirkulationsöffnungen oder Düsen 15 auf, die in der Nähe der Mittellinie angeordnet sind. Die Düsen 15 stehen mit den Einströmungsbereichen zwischen den Rippen 8 und 11 in Verbindung, wobei diese Abschnitte im Gebrauch als Fluid strömungsräume dienen.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 bezug genommen. Der Bohrkopfkörper 2 soll um eine Achse X in die Uhrzeigerrich tung gedreht werden, wenn er von oben betrachtet wird. So mit weist jede der Rippen 8 eine vordere Kantenfläche 8A und eine hintere Kantenfläche 8B auf. Jede der Rippen 11 hat auch eine Vorder- und eine Hinterfläche. Die vordere Rippe 11 weist in Drehrichtung des Bohrkopfes eine vordere Kante 11A und eine hintere Kante 11B auf. Die nächste Rippe 11 weist in die Drehrichtung eine vordere Kante 11C und ei ne hintere Kante 11D auf. Die letzte Rippe 11 weist eine vordere Kante 11E und eine hintere Kante 11F auf.

Die Rippen 11 des Erweiterungsbohrerabschnittes be schreiben somit einen bogenförmigen Abschnitt, der um die erste, vordere Schneidfläche 11A an der ersten Rippe 11 und die letzte hintere Fläche 11F an der letzten Rippe und die Werkzeugachse gebogen ist. Der bogenförmige Abschnitt defi niert einen Mittelpunkt. Der Mittelpunkt kann entlang des Bogens von der Linie der vorderen Kante 11A zu der Linie der hinteren Kante 11F gemessen werden oder als Alternative kann der Mittelpunkt dadurch bestimmt werden, daß von dem äußersten radialen Punkt an der vorderen Kante 11A zu dem äußersten radialen Punkt an der hinteren Kante 11F eine Linie L gezogen wird und daß der Mittelpunkt M der Linie gemessen wird.

Es ist herausgefunden worden, daß zum Maximieren der Stabilität des sich im Gebrauch befindlichen Bohrkopfes der Vorbohrer so ausgestaltet sein sollte, daß eine Schneidflä che an dem Vorbohrer zu dem Mittelpunkt des Erweiterungs bohrerabschnittes im wesentlichen diametral entgegengesetzt angeordnet sein sollte. Somit kann die optimale Position für eine Schneidfläche des Vorbohrers dadurch bestimmt wer den, daß eine Linie N von dem Mittelpunkt M durch die Achse x gezogen wird und daß festgestellt wird, wo die Linie durch den Abschnitt hindurchgeht, der von dem Vorbohrer an der Seite Achse, zu dem Erweiterungsbohrerabschnitt gegen überliegend, besetzt ist. Wie aus Fig. 2 zu sehen ist, be findet sich die optimale Position an einem Punkt P. Es ist herausgefunden worden, daß zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, wenn die Schneideinrichtung innerhalb eines Bereiches von 10 von der Linie N, gemessen von der Achse X aus um den Außenumfang des Bohrkopfes, angeordnet ist.

Es ist somit zu verstehen, daß in einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens eine erste Schneidfläche des Vor bohrers zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt M aus um die Achse X des Bohrkopfes angeordnet ist.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, weist jede Schneideinrichtung 10 vorzugsweise ein stiftförmiges Bauteil 38, das aus gesintertem Wolframkarbid oder einem anderen geeigneten Material besteht und eine Form aufweist, die einem Geschoß ähnlich ist, und eine Schicht 22 aus polykristallinem Diamant auf, die an der vorderen Kante des stiftförmigen Bauteils 38 angeordnet ist und die die Schneidfläche 30A der Schneideinrichtung definiert. Die Schneideinrichtungen 10 sind an den jeweiligen Rippen 8 und 11 derartig angeordnet, daß ihre Schneidflächen durch die vorderen Kantenflächen 8A und 11A, 11C bzw. 11E freigelegt sind. Die Rippen 8 und 11 bestehen selbst vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen Hartmetall. Das stiftförmige Bauteil 38 aus Wolframkarbid ist vorzugsweise in einer Ausnehmung bzw. einem Hohlraum 32 durch Hartlöten angeordnet, wobei in der Ausnehmung das Hartlötmaterial 39 im Übermaß enthalten ist. Die Schneideinrichtungen weisen jeweils in bezug auf die zu bohrende Schichtenformation einen Anströmwinkel auf. Vorzugsweise weisen die Schneideinrichtungen an den vordersten vorderen Kantenflächen 8A und 11A im Vergleich zu anderen Schneideinrichtungen an dem Bohrkopf gegenüber der Schichtenformation einen verringerten Anströmwinkel auf.

Während sich ein herkömmlicher PDC-Bohrkopf dreht, neigt er dazu, in die Seite des Bohrlochs zu graben. Dieses Phänomen verstärkt sich selbst bei anschließenden Durchgän gen des Bohrkopfes. Es wird daher in der Bohrlochwandung zunehmend eine Ungleichheit erzeugt, wobei als Reaktion auf das Wackeln des Bohrkopfes an der Sollmaßschneideinrichtung ein Stoß verursacht wird. Weil PDC-Bohrköpfe dazu neigen, das Bohrloch geringfügig größer als den Solldurchmesser des Bohrkopfs zu machen, wird somit der Bohrkopf öfter dazu gebracht, daß er wackelt, während er sich dreht, und auf der anderen Seite sind die Stabilisierungsrippen 12 Stoßkräften ausgesetzt, die auch die Schneideinrichtungsanordnungen beschädigen können. Um diesen Stoß auf die Schneideinrichtungsanordnungen und den Bohrkopf zu minimieren, kann ein Vorsprung vorgesehen sein, der an einer Oberfläche an dem Solldurchmesser derartig angeordnet ist, daß er seitlich unmittelbar über die anderen Schneideinrichtungen hervorsteht. Der vorstehende Vorsprung nimmt anstelle der Schneideinrichtung den Stoß auf und schützt somit die Schneideinrichtungsanordnung. Der Vorsprung kann aus Wolframkarbid oder einem anderen Hartmetallmaterial hergestellt sein oder er kann aus Stahl sein, der mit einem anderen Hartmaterial beschichtet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er findung wird somit das Einsatzteil aus Wolframkarbid an der Stabilisierungsrippe oder einer Staucheinrichtung angeordnet, um den Stoß aufzunehmen, der andernfalls der Schneideinrichtungsanordnung zugefügt werden würde. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eindringungsbegrenzungseinrichtungen zwischen 170° und 190 von dem Mittelpunkt M aus um die Achse X des Bohrkopfes angeordnet.

Fig. 15 zeigt das obige Konzept detaillierter. Es wird auf Fig. 15 bezug genommen. Ein Vorsprung 152 aus Wolfram karbid weist eine gewölbte, geschoßförmige Gleitfläche 154 auf, um mit einer Bohrlochwandung 156 eher im wesentlichen in Gleiteingriff zu gelangen als in die Schichtenformation 166 zu schneiden, wie es eine PDC-Schneideinrichtung tut. Der Vorsprung 152 steht von einem Blatt oder einer Staucheinrichtung 153 zu dem Solldurchmesser des Bohrkopfes hervor. Das Bohrloch wird typischerweise so beschrieben, daß es einen Bohrlochsolldurchmesser aufweist, wobei das Bohrloch mit idealer Größe aufgrund der spezifischen Größe des Bohrkopfes erzeugt wird, obwohl die tatsächliche Größe des Bohrlochs oftmals in Abhängigkeit von der Härte der Schichtenformation, der Bohrfluidströmung und ähnlichem von dem Bohrlochsolldurchmesser varriert. Somit ist der Vorsprung 152 vorzugsweise so angeordnet, daß er exakt den gleichen Durchmesser aufweist, wie die angrenzende Schneid fläche, welche in diesem Fall die Schneidfläche 158 einer PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160 ist. Die PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160, wie sie dargestellt ist, ist eine von den vielen PDC-Schneideinrichtungsanordnungen 10 und sie ist die Schneideinrichtungsanordnung für ihre jeweilige Staucheinrichtung, die von dem Endabschnitt der Schneidfläche in axialer Richtung zu dem Gewinde beabstandet ist. Jede Staucheinrichtung 8 oder 11 würde eine endgültige PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160 auf weisen.

Der Vorsprung 152 erstreckt sich um einen Abstand D un mittelbar vor den angrenzenden Schneideinrichtungen in die Richtung der Bohrkopfdrehung, wie durch einen Drehrichtungspfeil 161 angezeigt ist oder, wie vorher dargelegt worden ist, in die seitliche Richtung vor den anderen Schneideinrichtungen, wie z. B. dem PDC-Abschnitt 158 der PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160. Der Vorsprung 152 nimmt anstelle der PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160 den Stoß auf, wobei dadurch die PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160 geschützt ist.

Der Abstand D ändert sich in Abhängigkeit von der Bohr kopfgröße, aber er liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 0,32 cm bis ungefähr 1,60 cm (in einem Bereich von ungefähr 1/8 Inch bis ungefähr 5/8 Inch), wobei ein Bereich von ungefähr 0,96 cm bis 1,27 cm (ein Bereich von ungefähr 3/8 Inch bis 1/2 Inch) typisch ist. In Grad um den allgemeinen Umfang der Bohrspitze 150 herum ausgedrückt, kann der Berührungspunkt 162 des Vorsprung 152 in bezug auf den Berührungspunkt 164 des PDC-Elements 158 typischerweise in einem Bereich von ungefähr 1° bis ungefähr 15° liegen, wobei bei einem neuen Bohrkopf ein Bereich von ungefähr 5° oder 6° besonders typisch ist. Die Berührungspunkte 162 und 164 werden weiter, während der Bohrkopf verschleißt.

Die Gleitfläche 154 des Vorsprungs 152 ist in einer be vorzugten Ausführungsform im wesentlichen halbkugelförmig. Daher gleitet die Gleitfläche 154 nicht nur seitlich oder drehend in die Richtung der Drehung des Bohrkopfes 161, sondern sie gleitet in bezug auf das Bohrgestänge auch in die axiale Richtung. Die Gleitfläche 154 könnte andere For men aufweisen, wobei das Kriterium erfüllt sein sollte, daß die Fläche 154 insbesondere seitlich oder drehend in die Richtung der Drehung des Bohrkopfes 161 eher im wesentlichen gleitet, als daß sie in die Schichtenformation 166 schneidet.

Praktischerweise wird die geschoßförmige Ausgestaltung eines Hartmetallkörpers, wie z. B. eines Schneideinrichtungskörpers aus Wolframkarbid, schnell geschaffen, weil das geschoßförmige, stiftförmige Bauteil 38, wie es oben erörtert worden ist, einfach umgestaltet werden kann, so daß ein schnell erhältliches Vorsprungsbauteil 152 geschaffen wird, das die gegenwärtig gewünschte Gleitfläche 154 aufweist.

Durch Aufrechterhalten eines im wesentlichen kontinu ierlichen Gleitkontaktes mit der Bohrlochwandung 156, schützt der Vorsprung 152 nicht nur die PDC-Schneideinrichtungen gegen einen Stoß bei Bohrloch unregelmäßigkeiten, sondern er führt auch die Funktion durch, daß ein Bohrkopfwirbeln bzw. Bohrkopfwackeln verhindert oder eingeschränkt wird, um dadurch den Bohrkopf 150 in dem Bohrloch 168 auf bedeutende Weise zu stabilisieren. Der Vorsprung 152 hindert die letzte PDC-Schneideinrichtungsanordnung 160 daran, daß sie in eine radial nach außen gerichtete Richtung zu tief schneidet, wobei dadurch die radiale Verschiebung des Bohrkopfs eingeschränkt und dadurch das Wirbeln eingeschränkt ist.

Ein verringertes oder eingeschränktes Wirbeln führt zu ei ner geringeren Beschädigung ders Bohrkopfes und macht es für den Bohrkopf viel einfacher, daß er richtungsmäßig gesteuert wird, ohne daß er in eine unerwünschte Richtung "geht", wie das mit anderen weniger stabilen Bohrkopfausgestaltungen auftritt.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 16 gezeigt. Der Vorsprung 172 ist vorzugsweise ein geschoßförmiges Bauteil, wie der oben diskutierte Vor sprung 152, und er kann auch an einer Schneidfläche 162 des Bohrkopfs 150 verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird der Vorsprung 172 als eine Eindringungsbegrenzungs einrichtung verwendet und ist zwischen zwei benachbarten Schneideinrichtungen 178 und 179 angeordnet.

Der Vorsprung 172 liegt im allgemeinen mit den benach barten PDC-Schneideinrichtungen 178 und 179 auf einer Linie. Der äußerste radiale Endabschnitt des Vorsprungs definiert eine abgerundete Gleitfläche 174. Der Vorsprung 172 ist vorzugsweise nicht, wie im Stand der Technik, in bezug auf die Bohrkopfdrehrichtung vor oder hinter den benachbarten PDC-Schneideinrichtungen 178 und 179 angeordnet. Daher bleibt der Vorsprung 172 sogar dann in Betrieb, wenn der Bohrkopf auf eine bestimmte Art und Weise verdreht oder verkippt wird, wodurch eine Eindringungsbegrenzungseinrichtung aus dem Stand der Technik dadurch, daß sie vor oder hinter den benachbarten PDC-Schneideinrichtungen 178 und 179 angeordnet wäre, von der Bohrlochwandung 156 angehoben werden würde, so daß sie dadurch nicht mehr in Betrieb sein würde.

Wenn der Vorsprung 172 zu diesem Zweck an einem Bohrkopf verwendet wird, erstreckt sich die Gleitfläche 174 von der Staucheinrichtung oder dem Blattbauteil 153 um einen Ineingriffsabstand "E" nach außen zu der Bohrlochwandung 156. Ein Ineingriffsabstand "F" der benachbarten PDC-Schneideinrichtungsanordnung ist der Abstand, um den sich die benachbarten PDC-Schneideinrichtungsanordnungen 178, 179 in die Richtung der Bohrlochwandung 156 oder der Schichtenformation 166 erstrecken. Der Ineingriffsabstand "E" der Gleitfläche 174 ist vorzugsweise geringer als der Ineingriffsabstand "F" der benachbarten PDC-Schneideinrichtungsanordnung 178. Der Vorsprung 172 wirkt daher eher als eine Eindringungsbegren zungseinrichtung, als daß er in die Schichtengruppe 156 solange nicht eindringt, bis die benachbarte PDC-Schneideinrichtungsanordnung 178 zu tief in die Schichtenformation schneidet. Die Fläche 174 ist so geformt, daß sie eher an der Schichtenformation 166 im wesentlichen entlanggleitet als daß sie in diese schneidet, und sie schränkt daher ein Eindringen der benachbarten PDC-Schneideinrichtungen 178 und 179 in die Schichtengruppe ein. Auf diese Art und Weise fördert die Fläche 174 die Bohrkopfstabilität dadurch, daß ein Verkippen oder ein Wirbeln des Bohrkopfs eingeschränkt wird. Somit steht die Fläche 174, die vorzugsweise geschoßförmig oder halbkugel förmig ist, um eher zu gleiten als zu schneiden, normaler weise mit der Bohrlochwandung 156 nicht Iningriff, mit Ausnahme, wenn es notwendig ist, eine erhöhte Stabilität vorzusehen. Es ist anzumerken, daß der Abstand "F" für die benachbarten PDC-Schneideinrichtungen 178, 179 nicht immer gleich ist, aber er ist vorzugsweise immer größer als "E".

Geformte Schneideinrichtungen

Wie in den Fig. 14 und 17 gezeigt ist, kann anstelle des Vorsprungs 172 eine geformte bzw. profilierte Schneideinrichtung 170 als Eindringungsbegrenzungs einrichtung verwendet werden. Die geformte Schneideinrichtung 170 hat gegenüber dem Vorsprung 172 bei der Verwendung als Eindringungsbegrenzungseinrichtung einen bedeutenden Vorteil, wie im folgenden erörtert wird. Der Abstand "E", wie er bei der geformten Schneideinrichtung 170 verwendet wird, ist somit auch der Abstand, um den sich die geformte Schneideinrichtung 170 oder insbesondere der Körper 176 der geformten Schneideinrichtung 170 zu der Bohrlochwandung 156 oder der Schichtenformation 166 er streckt. Der Abstand "F" ist größer als der Abstand "E", wenn der Bohrkopf neu ist. Die geformte Schneideinrichtung 170 berührt die Bohrlochwandung 156, wenn die benachbarten PDC-Schneideinrichtungen, wie z. B. 178 oder 179, in die Schichtenformation 166 zu tief schneiden. Die geformte Schneideinrichtung 170 ist zwischen den benachbarten Schneideinrichtungsanordnungen 178, 179 und auf einer Linie mit diesen so angeordnet, wie es oben beschrieben ist.

Die Grundmerkmale der geformten Schneideinrichtungen 170 sind vielleicht am besten in bezug auf Fig. 14 dargestellt, worin eine vergrößerte, geformte Schneideinrichtung 170 schematisch gezeigt ist. Die geformte Schneideinrichtung 170 weist vorzugsweise einen im allgemeinen geschoßförmigen Körper 176 aus Wolframkarbid auf, an dem eine PDC-Schneideinrichtung 178 angeordnet ist. Die geformte Schneideinrichtung 170 ist an dem Blatt 153 bei einem Spitzenspanwinkel 13 angeordnet, das ist der Winkel der PDC-Fläche 175 in bezug auf die Senkrechte 177 zu der Bohrlochwandung 156, wie es in Fig. 14 gezeigt ist.

Der PDC-Abschnitt 178 weist eine kegelstumpfförmige oder abgeschrägte Kante 180 auf. Der Winkel "A" dieser abgeschrägten Kante wird durch verschiedene Bohrkopfausgestaltungsfaktoren, wie z. B. dem Spitzenspanwinkel einer Schneideinrichtung, bestimmt. Für die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform ist der Winkel "A" der abgeschrägten Kante größer als der Spitzenspanwinkel β. Es ist daher anzumerken, daß auf diese Art und Weise eher der Körper 176 mit der Bohrlochwandung 156 Ineingriff steht als der PDC-Abschnitt 178, wenn ein Ineingriffstehen auftritt, wie es oben erörtert worden ist.

Der PDC-Schneidabschnitt 178 kann z. B. bei einem Winkel von 30° geschliffen sein, während der Spitzenspanwinkel 20° beträgt. Somit existiert zwischen dem PDC-Abschnitt 178 und der Bohrlochwandung 156 ein Winkel von 10°. Auf diese Art und Weise wird der PDC-Abschnitt 178 im wesentlichen wenigstens anfänglich daran gehindert, daß er in die Schichtenformation schneidet, wie andere PDC-Schneideinrichtungsanordnungen, wie z. B. das benachbarte PDC-Schneideinrichtungselement 182. Die Fläche 181 erstreckt sich um einen Abstand "H" radial nach außen zu der Schichtenformation.

Wie oben dargelegt worden ist, steht die Gleitfläche 181 der geformten Schneideinrichtung unter normalen Bohrbe dingungen und dann, wenn der Bohrkopf 150 neu und relativ unverschlissen ist, normalerweise mit der Bohrlochwandung 156 nicht in Eingriff. Das PDC-Schneideinrichtungselement 182 erstreckt sich zu diesem Zweck um den Abstand "G" weiter nach außen als die Fläche 181.

Wenn der Bohrkopf 150 neu ist, steht die Gleitfläche 181 mit der Bohrlochwandung 156 nur dann Ineingriff, wenn benachbarte PDC-Schneideinrichtungsanordnungen, wie z. B. die PDC-Schneideinrichtungsanordnung 182, zu tief in die Schichtenformation 166 schneiden. Wenn jedoch die benach barte PDC-Schneideinrichtungsanordnung 182 zu tief in die Schichtenformation 166 schneidet, steht anschließend die Gleitfläche 181 mit der Bohrlochwandung 156 eher im wesent lichen in Gleiteingriff als in Schneideingriff, so daß ein weiteres Eindringen durch die PDC-Schneideinrichtunganordnungen, wie z. B. die PDC-Schneideinrichtungsanordnung 182, eingeschänkt wird. Auf diese Art und Weise wirken die als Eindringungsbegrenzungseinrichtungen geformten Schneideinrichtungen 170 dahingehend, daß sie ein Verkippen oder ein Wirbeln des Bohrkopfes 150 einschränken. Geformte Schneideinrichtungen 170 sind mit den anderen PDC-Schneideinrichtungsanordnungen an dem Bohrkopf in einer Linie angeordnet, wie es vorher erörtert worden ist, so daß sie sogar dann wirksam bleiben, wenn sich der Bohrkopf verdreht oder verkippt, wie z. B. dann, wenn an den Bohrkopf übermäßige Belastungen angelegt werden.

Da der Bohrkopf 150 aufgrund des Drehens verschleißt, verschleißen die PDC-Schneideinrichtungsanordnung 182 und auch die Fläche 181 an der geformten Schneideinrichtung 170. Ein Verschleiß an beiden Bauteilen setzt sich bis zu dem Punkt fort, wo der PDC-Abschnitt 178 der geformten Schneideinrichtung 170 damit beginnt, mit der Bohrlochwandung 156 im wesentlichen kontinuierlich Ineingriff zu stehen. Zu diesem Zeitpunkt wird die geformte Schneideinrichtung 170 im wesentlichen so wie die anderen PDC-Schneideinrichtungen. Die geformte Schneideinrichtung 170 wirkt somit als eine ideale Eindrin gungsbegrenzungseinrichtung, die "verschwindet", nachdem der Bohrkopf verschlissen worden ist.

Wie oberhalb erörtert worden ist, ist, nachdem der Bohrkopf verschlissen ist, eine Bohrkopfstabilisierung unter Verwendung von Eindringungsbegrenzungseinrichtungen im allgemeinen unnötig, weil die verschlissenen Flächen selbst zur Stabilisierung des Bohrkopfs dienen. Zusätzliche Flächen, wie z. B. die von der Eindringungsbegrenzungseinrichtung aus dem Stand der Technik, erhöhen das Drehmoment, das notwendig ist, um den Bohrkopf zu drehen, ohne daß sie eine wesentliche, zusätzliche Bohrkopfstabilisierung schaffen. An einem verschlissenen Bohrkopf sind solche Eindringungsbegrenzungseinrichtungen aus dem Stand der Technik unwirksam, weil der Kontakt der Eindringungsbegrenzungseinrichtungen im wesentlichen eher kontinuierlich ist, als daß er darauf beschränkt ist, ein übermäßiges Schneideinrichtungseindringen zu verhindern.

Obwohl für die geformte Schneideinrichtung 170 ver schiedene Formen möglich sind, ist folgendes erwünscht:
(1): Die geformte Schneideinrichtung ist mit einem Profil derartig versehen, daß eine im wesentlichen gleitende Fläche mit der Schichtenformation Ineingriff gelangt, d. h., die Fläche gleitet im wesentlichen eher als daß sie schneidet. (2): Die Gleitfläche gelangt normalerweise mit der Schichtenformation nicht Ineingriff, mit Ausnahme dann, wenn sich die Bohrkopfkräfte nicht im Gleichgewicht befinden. (3): Da die Gleitfläche zusammen mit den anderen PDC-Schneideinrichtungen verschleißt, ist der PDC-Abschnitt der geformten Schneideinrichtung eventuell freigelegt, so daß er mit der Schichtenformation im wesentlichen kontinuierlich Ineingriff steht, wie das die anderen PDC-Schneidanordnungen tun, d. h., die Eindringungsbegrenzungseinrichtung "verschwindet" und ein Schneidwerkzeug nimmt dessen Stelle ein.

Bevorzugter Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten

Eine Ausführungsform des Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten bzw. Bi-Center-Bohrkopfes der vorliegenden Erfindung ist so entwickelt worden, wie es im folgenden beschrieben ist. Als erstes sind um die Schneidfläche gemäß bekannten Verfahren, wie z. B. der Verschleißanalyse, dem Schnittvolumen, der Arbeitsrate bzw. dem Ausmaß der Bearbeitung (Leistung) pro Schneideinrichtung, etc., Schneidelemente angeordnet. Wenn einmal die radiale Position der Schneideinrichtungen festgelegt ist, wird für den Vorbohrer und den Erweiterungsbohrer eine Schnittkraftberechnung durchgeführt. Diese Schnittkraft wird durch eine Kombination von drei Gleichungen erhalten, die die Normalkraft F_n, das Bohrkopfdrehmoment F_x und die vertikale Kraft F_v darstellen.

Worin α eine Gesteinskonstante ist, BR sich aus der Ausgestaltung des Werkzeugs ergibt, C₃ eine Konstante ist, RS eine Gesteinskonstante ist, d_w und d_cm sich aus der Aus gestaltung des Werkzeugs ergeben und C₂ eine Konstante ist. Ein Kombinieren der Konstanten führt zu folgendem Verhält nis:

Die vertikale Kraft F_v stellt eine Komponente der Bela stung auf den Bohrkopf dar und wird durch das folgende Ver hältnis dargestellt:

F_v = F_n.Cos β

worin β sich aus der Ausgestaltung des Werkzeugs er gibt.

Die Normalkraft F_n ist wie folgt:

worin α eine Gesteinskonstante ist, die Variablen BR, d_W, BF und d_CE sich aus der Ausgestaltung des Werkzeugs er geben, C₁ eine Konstante ist, A_W ein Verschleißflächenbe reich ist, der in dem Fall eines scharfen Werkzeugs null ist, RS eine Gesteinskonstante ist und C₂ eine Konstante ist. Eine Kombination führt zu folgendem:

Das Vektorverhältnis von jeder dieser Kräft ist in Fig. 13 dargestellt.

Die Gesamtschnittkraft für einen Bohrkopf oder einen Erweiterungsbohrer stellt die Summe der Schnittkräfte für jede individuelle Schneideinrichtung dar. Durch Ändern der Winkelposition der Schneideinrichtungen können die Richtung und die Höhe der resultierenden Schnittkraft des Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten modifiziert werden. Während es bei der Winkelposition des Erweiterungsbohrers eine geringe Flexibilität gibt, kann eine bedeutende Verschiebung der Winkelpositionen der Schneideinrichtungen an dem Vorbohrer durchgeführt werden. Das winkelmäßige Anordnen der Schneidelemente wird dadurch erzielt, daß ein Polarkoordinaten-Gittersystem verwendet wird.

Wenn die radiale und die winkelmäßige Position der Schneideinrichtungen ermittelt worden ist, wird eine iterative Berechnung durchgeführt, um eine gewünschte Größe einer Schnittkraft zu erzielen. In diesem Herstellungsschritt wird die Schnittkraft erneut gemessen und die winkelmäßige Position von einigen der Schneideinrichtungen wird im Zuge einer Anstrengung geändert, eine Größe der resultierenden Schnittkraft des Vorbohrers so zu erzielen, daß sie so nah wie möglich an der Größe der Schnittkraft des Erweiterungsbohrers liegt. Wenn die Schnittkräfte für den Vorbohrer und den Erweiterungsbohrer bekannt sind, kann die relative Position des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrers nun bestimmt werden. Der Erweiterungsbohrer ist in bezug auf den Vorboh rer so angeordnet, daß die Richtung der Schnittkraft des Vorbohrers zu der der Schnittkraft des Erweiterungsbohrers entgegengesetzt liegt (siehe Fig. 5). Dies wird durch eine Vektoranalyse erreicht. Die Endwirkung führt vorzugsweise zu einem Werkzeug, mit einem Gesamtkräfteungleichgewicht, das nicht größer als 1,5% ist.

Als Alternative sind die Schneideinrichtungen um die Schneidflächen des Vorbohrers so angeordnet, daß sie ab sichtlich ein hohes Kräfteungleichgewicht erzeugen. Der Er weiterungsbohrer wird anschließend in Anbetracht des Vor bohrers so angeordnet, daß die resultierende Kraft mini miert wird.

Zusätzlich oder als Alternative können die Positionen der Gleitelemente, wie z. B. der Karbid-Vorsprünge 152, nun so ausgewählt und angeordnet werden, daß sie die Drehung um die Mittellinie des Vorbohrers aufrechterhalten. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist die erste Position, an der diese Elemente 152 angeordnet sein können, das vordere Blatt 11 des Erweiterungsbohrerabschnittes 5. Die zweite Position ist eine Seite des Vorbohrers 3 in die Richtung der Schnittkraft, entgegengesetzt zu den Erweiterungsbohr erblättern 11. Diese Gleitelemente oder Eindringungsbegren zungseinrichtungen sind um die Staucheinrichtungen herum konzentriert angeordnet, die um die Linie der resultierenden Kraft ausgerichtet sind. Entlang der Staucheinrichtungen, die diese resultierende Linie seitlich begrenzen, sind weitere Eindringungsbegrenzungseinrichtungen angeordnet.

Eine Stabilisierung kann auch dadurch erzielt werden, daß die Profile der Schneideinrichtungen verringert werden oder daß an dem vorderen Blatt des Erweiterungsbohrers kleinere Schneideinrichtungen verwendet werden. In einer solchen Art und Weise wird die Tiefe je Zahn, die von dem ersten Erweiterungsbohrerblatt in Anspruch genommen wird, verringert, wobei dadurch ein Schwingen verringert wird. Als weitere Alternative kann der Anströmwinkel für die Schneideinrichtungen dadurch verringert werden, daß die Rückfläche der Schneideinrichtungen in bezug auf die Montagematrix abgekantet wird.

Beispiel

An einen Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, der durch ein Loch von 21,29 cm (8 3/8'') hindurchgehen würde und ein Loch von 23,50 cm (9 1/4'') bohren würde, wurde eine Anforderung gestellt (siehe die Fig. 3A bis C). Es wurde gefordert, daß der Erweiterungsbohrerdurchmesser gering genug war, um das Hindurchgehen von anschließenden Werkzeugen zu gestat ten. Die allgemeinen Abmessungen des Werkzeuges wurden wie folgt berechnet und sind in Fig. 7 dargestellt.

Erweiterungsbohrer: Radius von 11,76 cm (4,63'')
Bohrdurchmesser: 23,50 cm (9,25'')
Maximaler Werkzeugdurchmesser: 19,53 cm (7,69'').

Anschließend wurde das radiale Anordnen der Schneid einrichtungen bestimmt. In diesem Beispiel wurde das Anordnen unter Verwendung einer Verschleißkurvenanalyse durchgeführt. Die Verschleißkurve für einen Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten der gegenwärtigen Abmessungen ist in Fig. 8 gezeigt. Diese Verschleißkurve wurde unter Verwendung eines optimalen oder "modellhaften" Schneideinrichtungsprofils erzeugt, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Der Verschleißgraph zeigt die Verschleißmenge bzw. Verschleißzahl von dem Mittelpunkt des Bohrkopfs bis zu der Sollweite, wo der Bereich des Bohrkopfs schneller verschleißt, je höher die Zahl wird. Die Aufgabe ist es, einen Bohrkopf so auszugestalten, daß er von dem Mittelpunkt zu der Sollweite eine gleichmäßige oder konstante Verschleißzahl aufweist. Die Verschleißwerte selbst stellen eine dimensionslose Zahl dar und sind nur von Bedeutung, wenn der Verschleißwiderstand von einem zum anderen auf dem gleichen Bohrkopf verglichen wird.

Das Schneideinrichtungsprofil stellt eine optimale Verteilung von Schneideinrichtungen an dem Vorbohrer und dem Erweiterungsbohrer für Radien von 0 bis 118 mm bis zu der Bohrkopfsollweite und ihren damit verbundenen vorhergesagten Verschleißmustern dar. Die Genauigkeit dieser Vorhersage ist dadurch bestätigt worden, daß von verschiedenen Typen von Bohrköpfen, von Schneideinrichtungsgrößen und von Schichtenformationen stumpfe Bohrköpfe analysiert worden sind. Diese Verschleißvorhersage basiert auf einem normalen Verschleiß durch Abrieb des PDC-Materials. Von diesem Profil kann das die Menge an polykristallinen Diamanten bei Radien von 0 bis 118 mm bestimmt werden. A ist in der folgenden Gleichung gelöst:

worin A die Verschleißzahl, K eine Konstante und V der Umfang bzw. die Menge an polikristallinem Diamenten an der Schneidfläche bei einem Bohrkopfradius sind, der an gleichmäßig beabstandeten Schritten von einem Bohrkopfradius von 0 zu einem Bohrkopfradius von 118 mm berechnet worden ist, wobei die Verschleißmenge als erstes für das hypothetische Modell erzeugt wird. Dieses Verfahren zum radialen Anordnen ist einem Fachmann wohlbekannt. Zudem wird davon ausgegangen, daß für das radiale Anordnen andere Verfahren verwendet werden können als das hier erwähnte.

Wenn die radiale Position der Schneidelemente bestimmt worden ist, wird diese dafür verwendet, um die Winkelposi tionen der Schneideinrichtungen zu entwickeln, um die ge wünschte Kraft zu erzielen, die dafür notwendig ist, um für das Werkzeug eine Stabilität und eine lange Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Dies wird unter Verwendung der folgen den Verhältnisse erzielt:

und

F_v= F_n Cos β

worin F_n die Normalkraft ist, die notwendig ist, um das PDC in die Schichtenformation bei einer vorgegebenen Schnittiefe gedrückt zu halten, α eine Gesteins konstante ist, BR der Spitzenspanwinkel des Schneidwerkzeugs ist, d_W die Schnittbreite ist, B₁ der experimentell bestimmte Bohrkopffaktor zwischen 0,75 und 1,22 ist, RS die Ge steinshärte ist, d_CC die Schnittiefe ist, C₁ eine experi mentell bestimmte dimensionslose Konstante zwischen 1,050 und 1,150 ist, A_W der Verschleißflächenbereich ist, der in einem scharfen Bohrkopf null ist, wobei er aus der Geometrie des Schneidwerkzeugs berechnet worden ist, C₂ eine experimentell bestimmte dimensionslose Konstante zwischen 2,100 und 2,200 ist, C₃ eine experimentell bestimmte dimensionslose Konstante zwischen 2,900 und 3,100 ist, d_cm die durchschnittliche Schittiefe ist, C₄ eine experimentell bestimmte dimensionslose Konstante zwischen 2,900 und 3,100 ist, F_X eine Schnittkraft ist und β der Flankenwinkel ist.

Die Kräfte unterhalb sind die vektorielle Summe der in dividuellen Schneidwerkzeugkräfte:

RS = 1.24×105 KN/m² (18000 psi)
A_W = 0
B_F = 1
C₁ = 1,100
α = 34°
C₂ = 2,150
C₃ = 3,000
C₄ = 0,3
d_CE = 0.12 cm (0,05 inch).

d_V, B, BR sind für jede Ausgestaltung unterschiedlich und sind für jedes individuelle Schneidwerkzeug unter schiedlich.

Die Winkelpositionen des beispielhaften Bohrkopfes mit zwei Mittelpunkten wurden vorgegeben und die Winkelkräfte für den Erweiterungsbohrer wurden für dieses Beispiel wie folgt berechnet:

Prozentuales Ungleichgewicht 33,75%
Ungleichgewichtskraft 22,7KN (5116,63 lbf) à 305,3°
Radiale Ungleichgewichtskraft 7,27KN (1635,40 lbf) à 253,3°
Umfangsungleichgewichtskraft 19,16KN (4308,32 lbf) à 327,7°
Ungleichgewichtskraft des Neigungswinkels 1,15KN (259,50 lbf) à 178,7°
Belastung auf den Bohrkopf 6,91 × 10³KG (15160,39 lbf)
Bohrkopfdrehmoment 2,97KNM (2198,44 ft-lbf).

Anschließend wurden die Winkelkräfte für den Vorbohrer berechnet:

Prozentuales Ungleichgewicht 14,51%
Ungleichgewichtskraft 631KN (149,94 lbf) à 288,7°
Radiale Ungleichgewichtskraft 1,27KN (285,47 Ifb) à 317°
Umfangsungleichgewichtskraft 523KN (1176,16 lbf) à 282,1°
Ungleichgewichtskraft des Neigungswinkels 51N (11,56 lbf) à 293,1°
Belastung auf den Bohrkopf 4,45×10³ KG (9784,36 lbf)
Bohrkopfdrehmoment 1,29KNM (958,30 ft-lbf).

Anschließend folgte die Endkraft für den Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten:
Prozentuales Ungleichgewicht 12,5%
Ungleichgewichtskraft 8,19KN (1842,29 lbf) à 309,4°
Radiale Ungleichgewichtskraft 5,98KN (1344,89 lbf) à 228,8°
Umfangsungleichgewichtskraft 9,32KN (2097,12 lbf) à 348,7°
Ungleichgewichtskraft des Neigungswinkels 1,03KN (232,23 lbf) à 178,7°
Belastung auf den Bohrkopf 6,91×10³ KG (15.159,64 lbf)
Bohrkopfdrehmoment 2,97KNM (2198,44 ft-lbf).

Der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrer werden an schließend in bezug zueinander deratig angeordnet, daß ihre Vektorsumme verringert wird. Fig. 10 stellt die Vektoraddi tion und das Anordnen des Vorbohrers und des Erweiterungs bohrers dar, um das Gesamtungleichgewicht von 12,15%, wie es oben bestimmt worden ist, zu erzielen.

Mit den oben gegebenen Informationen wurden anschlie ßend die Schneideinrichtungspositionen für den Vorbohrerverschleiß berechnet. Für das vorgegebene Beispiel sind in Fig. 11 Informationen dargestellt, die die Positionen der geformten Schneideinrichtungen in bezug auf (1) den Radius, (2) den Spitzenspanwinkel, (3) den Seitenspanwinkel, (4) den Flankenwinkel, (5) die Längsposition und (6) die winkelmäßige Position betreffen, wobei die entsprechenden Informationen, die die Schneideinrichtungspositionen für den Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten betreffen, in Fig. 12 dargestellt sind. In diesem Beispiel betrug das Gesamtungleichgewicht 12,15%.

Wenn die radialen und die winkelmäßigen Positionen der geformten Schneideinrichtungen ermittelt worden waren und die relative Position des Erweiterungsbohrers gegenüber dem Vorbohrer ermittelt worden war, wurden anschließend Gleit elemente, wie z. B. geformte PDC-Elemente oder Vorsprünge aus Wolframkarbid zu der Schneidfläche des Werkzeugs hinzu gefügt, um den Bohrkopfverschleiß weiter zu verringern und um die Bohrkopfstabilität in Bereichen zu verbessern, die wahrscheinlich einer übermäßig hohen Schneideinrichtungseindringung ausgesetzt sein würden. Dies wurde dadurch erreicht, daß an der vorderen Kante des Erweiterungsbohrers an jeder erhältlichen Schneideinrichtungsseite Eindringungsbegrenzungseinrich tungen angeordnet wurden.

Obwohl sie in dieser Ausführungsform nicht verwendet worden sind, konnten Standardschneideinrichtungen abwechselnd an dem Erweiterungsbohrer mit einem verringerten Anströmwinkel, wie z. B. mit einem abgekanteten oder verringerten Profil, verwendet werden. Als weitere Alternative oder als Zusatz konnten geformte Schneideinrichtungen an den Vorbohrervorsprüngen entlang der Linie der resultierenden Kraft belassen bzw. angeordnet werden. Jedes dieser verschiedenen Verfahren dient zur Stabilisierung des Bohrkopfs mit zwei Mittelpunkten, wenn sie in ihrer Gesamtheit mit den oben erwähnten Verfahren unabhängig verwendet werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung geht von der Anordnung einer Rippe bei 170° bis 190° entgegengesetzt zu dem Mittelpunkt aus, der zwischen den vorderen und hinteren Kanten des Erweiterungsbohrerabschnittes definiert ist. Es wird auf Fig. 18 bezug genommen. Ein Bohrkopf mit zwei Mit telpunkten ist mit einem Erweiterungsbohrer 200 versehen, der eine vordere Kante 202 und eine hintere Kante 204 auf weist. Die Rippen 205, die die vordere Kante 202 und die hintere Kante 204 definieren, sind mit geformten Schneid einrichtungen 208 auf die oben diskutierte Art und Weise versehen.

Zwischen den äußersten radialen Punkten der vorderen Kante 202 und der hinteren Kante 204 kann eine Linie 210 gezogen werden. Der Mittelpunkt der Linie 210 kann mit 212 gekennzeichnet sein. Eine Linie 216, die durch den Punkt 212 senkrecht zu der Seite 210 in einer durch die Schneid fläche des Vorbohrers definierten Ebene und entgegengesetzt zu dem Erweiterungsbohrer 200 gezogen wird, beschreibt an dem Außenumfang des Vorbohrabschnittes einen Punkt 217. Dieser Punkt 217 beschreibt die ideale und bevorzugte Stel le zum Anordnen einer Schneidrippe 220 an dem Vorbohrer 222. In Übereinstimmung mit der Aufgabe dieser Ausführungs form ist herausgefunden worden, daß eine akzeptable Lei stung des Bohrkopfs mit zwei Mittelpunkten dann erzielt werden kann, wenn der Vorbohrer einen mit geformten Schneideinrichtungen versehenen Vorsprung und/oder eine Sollmaßkontaktfläche innerhalb 10° um den Außenumfang des Bohrkopfs aufweist, wobei von der Mittelachse der Drehung des Bohrkopfs an jeder Seite des Punktes 210 gemessen worden ist.

In noch einer weiteren Ausführungsform ist herausgefun den worden, daß die Leistung des Bohrkopfs mit zwei Mittel punkten zusätzlich verbessert werden kann, wenn der Vorboh rer mit einer zweiten Schneidrippe versehen ist, die zu der ersten Schneidrippe diametral entgegengesetzt angeordnet ist, welche selbst zu dem Erweiterungsbohrer entgegenge setzt angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist in bezug auf Fig. 19 zu sehen, in der ein Bohrkopf mit zwei Mittel punkten dargestellt ist, welcher einen Erweiterungsbohrer 240 aufweist, der mit einer Vielzahl von Schneidrippen 242 versehen ist, die Schneidelemente 244 aufweisen, wobei der Erweiterungsbohrer 240 eine vordere Kante 243 und eine hin tere Kante 245 definiert. Zwischen den äußersten radialen Punkten der vorderen Kante 243 und der hinteren Kante 245 kann eine Linie 250 gezogen werden. Die Linie 250 weist ei nen Mittelpunkt 242 auf.

Eine Linie 251, die auf der Linie 250 in einer Ebene parallel zu der durch die Bohrkopffläche beschriebenen Ebene senkrecht steht, definiert einen Punkt entlang zwei Punkten von dem Umfang des Vorbohrers 262, die mit 254 und 256 gekennzeichnet sind. Es ist herausgefunden worden, daß das Anordnen einer Schneidrippe 260 an dem Vorbohrer 262 innerhalb von 10° (wie sie an der Achse des Bohrers gemessen worden sind) von beiden Punkten 254 und 256 die Leistung des Bohrkopfs weiter verbessert, wobei die Neigung verringert wird, daß ein zu kleines Loch erzeugt wird.

Der Bohrkopf, so wie er gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet worden ist, ist somit für richtungsbezogene Bohrzwecke ideal. Der Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten der vorliegenden Erfindung neigt auch dazu, bedeutend weniger zu verschleißen als ein Standardbohrkopf. Aufgrund des höheren Niveaus der Bohrkopfstabilität neigen andere betreffende Bohrkopfkomponenten dazu, länger erhalten zu bleiben, was durch die Verwendung des vorliegenden stabilisierten Bohrkopfs somit zu einer Gesamtkostensicherung führt.

Die vorhergehende Offenbarung und Beschreibung der Er findung ist beispielhaft und erklärend und es ist für einen Fachmann ersichtlich, daß verschiedene Änderungen in der Größe, der Form und des Materials sowie in Detail der dar gestellten Konstruktion oder Kombinationen von Merkmalen der verschiedenen Bohrköpfe oder Kernbohrelementen durchge führt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Es wird somit ein Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten ge schaffen, der einen Körper aufweist, welcher dafür geeignet ist, daß er mit einem Bohrgestänge verbunden werden kann, so daß er sich um eine Achse dreht. An einem Endabschnitt des Körpers ist ein Vorbohrer definiert und der Vorbohrer weist eine Vielzahl von Rippen oder Staucheinrichtungen auf, die Schneideinrichtungsanordnungen mit Schneid einrichtungsflächen aufweisen. Durch eine oder mehrere Rippen oder Staucheinrichtungen, die von einem Seiten abschnitt des Körpers hervorstehen und Schneidein richtungsanordnungen mit Schneideinrichtungsflächen auf weisen, ist ein Erweiterungsbohrabschnitt definiert. Der Erweiterungsbohrer definiert zwischen den vorderen und hinteren Flächen einen gebogenen Abschnitt und dieser Abschnitt weist einen Mittelpunkt auf. Wenigstens eine der Schneidflächen an dem Vorbohrer ist zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt um die Achse herum angeordnet.

Claims

1. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten mit einer verbesserten Stabilität, der folgendes aufweist:
einen Körper, der einen nahen Endabschnitt, welcher da zu geeignet ist, daß er mit einem Bohrgestänge verbun den wird, einen fernen Endabschnitt und eine Längsachse definiert, worin der ferne Endabschnitt einen Vorbohrer und einen mittleren Erweiterungsbohrerabschnitt auf weist, wobei der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrerabschnitt jeweils wenigstens eine Staucheinrichtung aufweisen, die Schneidflächen auf weist, wobei der Erweiterungsbohrerabschnitt an der oder einer ersten Staucheinrichtung des Erweiterungs bohrerabschnittes eine vordere Schneidfläche und an der oder der letzten Staucheinrichtung des Erwei terungsbohrerabschnittes eine hintere Fläche definiert, wobei eine Vielzahl von Schneideinrichtungsanordnungen um die Schneidflächen des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrerabschnittes angeordnet ist, wobei die Staucheinrichtung oder die Staucheinrichtungen des Erweiterungsbohrerabschnittes einen bogenförmigen Abschnitt beschreiben, dessen Grenzen durch die Achse, die vordere Schneidfläche und die hintere Fläche defi niert sind, worin dieser Abschnitt einen Bogen mit einem Mittelpunkt definiert und worin wenigstens eine erste Schneidfläche an dem Vorbohrer zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt um die Achse herum angeordnet ist.

2. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 1, worin die geformten Schneideinrichtungsanordnungen um die vordere Fläche des Erweiterungsbohrers entlang der Li nie angeordnet sind, die durch die resultierende Kraft des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrerabschnittes definiert ist, um das Kräfteungleichgewicht weiter zu minimieren.

3. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 2, worin die Schneideinrichtungsanordnungen um die Schneidflä chen des Vorbohrers und des Erweiterungsbohrerabschnit tes winkelig angeordnet sind, um die Resultierende der Vektorsumme aus der Normalkraft F_n, die auf dem Bohr kopf senkrecht steht, der Vertikalkräfte F_v, die auf den Bohrkopf wirken, und dem Bohrkopfdrehmoment F_x zu minimieren.

4. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 1, worin die Schneideinrichtungsanordnungen um den Erweiterungs bohrerabschnitt und dem Vorbohrer gemäß einem Ver schleißanalysevorsprung des Werkzeugs radial versetzt angeordnet sind.

5. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach einem der vorher gehenden Ansprüche, worin jede der Schneideinrichtungs anordnungen einen PDC-Abschnitt und einen Körperab schnitt aufweist.

6. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 5, worin die Schneideinrichtungen aus Formteilen aus polykri stallinem Diamant bestehen, die an einer Halterung aus Wolframkarbid durch Hartlöten angeordnet sind.

7. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach einem der vorher gehenden Ansprüche, der zudem Eindringungsbegrenzungs einrichtungen aufweist.

8. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach einem der vorher gehenden Ansprüche, der zudem Eindringungsbegrenzungs einrichtungen aufweist, die um den Vorbohrer an Schneidflächen angeordnet sind, wobei die Eindringungs begrenzungseinrichtungen zwischen 170° und 190° von dem Mittelpunkt um die Achse herum angeordnet sind.

9. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 7 oder 8, worin jede der Eindringungsbegrenzungseinrichtungen ein umgedrehtes, geschoßförmiges Wolfram-Bauteil aufweist.

10. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 7 oder 8, worin jede der Eindringungsbegrenzungseinrichtungen ei ne geformte Schneideinrichtung aufweist.

11. Bohrkopf nach Anspruch 10, worin die geformte Schneid einrichtung einen im allgemeinen geschoßförmigen Körper aus Wolframkarbid aufweist, der an einer PDC-Schneid einrichtung angeordnet ist.

12. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 10 oder 11, worin die geformten Schneideinrichtungen an einer Schneidfläche unter einem ausgewählten Spitzenspanwinkel β angeordnet sind.

13. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach Anspruch 12, wenn dieser von Anspruch 11 abhängt, worin der PDC-Abschnitt eine kegelstumpfförmige oder abgeschrägte Kante auf weist, die einen Spitzenspanwinkel A definiert, worin der Winkel A größer ist als der Spitzenspanwinkel β.

14. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten nach einem der vorher gehenden Ansprüche, worin an dem Vorbohrer eine zweite Schneidfläche vorgesehen ist, die im wesentlichen nach unten entgegengesetzt zu der ersten Schneidfläche an dem Vorbohrer angeordnet ist.

15. Verfahren zum Verbessern der Stabilität einer Bohr kopfanordnung, wenn in einem Bohrloch durch eine Schichtenformation gebohrt wird, worin der Bohrkopf ei nen Körper mit einem nahen Endabschnitt, der mit dem Bohrgestänge betriebsfähig in Eingriff gebracht werden kann, und einen fernen Endabschnitt aufweist, der einen Vorbohrer definiert, welcher eine Achse aufweist, worin zudem eine Seite des Körpers zwischen dem fernen und dem nahen Endabschnitt einen Erweiterungs bohrerabschnitt definiert, worin der Vorbohrer und der Erweiterungsbohrabschnitt eine Reihe von Schneidflächen definieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Radiales Anordnen von einer Vielzahl von Schneidein richtungsanordnungen um die Schneidflächen des Vorboh rers und des Erweiterungsbohrabschnittes, worin die Schneidflächen an dem Erweiterungsbohrerabschnitt eine vordere Fläche und eine hintere Fläche definieren; und
Anordnen einer ersten Schneidfläche des Vorbohrer, ent gegengesetzt zu dem Erweiterungsbohrer, innerhalb 10° von einer Linie von einem Mittelpunkt zu einer Linie, die die äußersten radialen Punkte der vorderen und hin teren Flächen verbindet und durch die Achse hindurch geht oder die zu der Linie senkrecht gezeichnet ist, so daß sie sich von dem Erweiterungsbohrer weg erstreckt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, daß zudem den Schritt auf weist, bei dem geformte Schneideinrichtungen entlang der vorderen Schneidfläche des Erweiterungsbohrers an geordnet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die geformten Schneideinrichtungen geformte Formteile aus polykristallinem Diamant aufweisen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, worin der Erweiterungsbohrer eine vordere Staucheinrichtung und anschließende Staucheinrichtungen aufweist, an welchen die Schneideinrichtungsanordnungen angeordnet sind, worin die Schneideinrichtungsanordnungen, die an der Staucheinrichtung angeordnet sind, hinsichtlich der Schichtenformation mit einem verringerten Anströmungs winkel versehen sind, wenn sie mit anderen Schneidein richtungsanordnungen an dem Bohrkopf verglichen werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, worin ge formte Schneideinrichtungsanordnungen entlang von Stau cheinrichtungen angeordnet sind, die entlang oder un mittelbar zu der Linie der resultierenden Kraft des Werkzeugs angeordnet sind.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, das zudem den Schritt aufweist, bei dem der Erweiterungsbohrerab schnitt in bezug auf den Vorbohrer angeordnet wird, um das Schnittkraftungleichgewicht zwischen dem Vorbohrer und dem Erweiterungsbohrerabschnitt zu minimieren.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, das zudem den Schritt aufweist, bei dem eine Schneidfläche an dem Vorbohrer innerhalb 170 bis 190°, von der Achse des Bohrkopfes aus gemessen, der ersten Schneidfläche vorgesehen wird.

22. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, der im wesentlichen in bezug auf die Fig. 12 und 17 der beigefügten Zeich nungen beschrieben und gezeigt ist.

23. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, im wesentlichen wie er in bezug auf Fig. 18 der beigefügten Zeichnungen be schrieben und gezeigt ist.

24. Bohrkopf mit zwei Mittelpunkten, im wesentlichen wie er in bezug auf Fig. 19 der beigefügten Zeichnungen be schrieben und gezeigt ist.

25. Verfahren zum Verbessern der Stabilität einer Bohr kopfanordnung, sowie es in bezug auf die beigefügten Zeichnungen hier im wesentlichen beschrieben worden ist.

26. Jedes neue Merkmal oder jede neue Merkmalskombination, die hier offenbart ist.