DE60133554T2

DE60133554T2 - Bohrmeissel

Info

Publication number: DE60133554T2
Application number: DE60133554T
Authority: DE
Inventors: Giancarlo T. Pia
Original assignee: Weatherford Lamb Inc
Current assignee: Weatherford Lamb Inc
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: EP1297242B1; NO20026184L; EP1297242A1; NO20026184D0; CA2413377C; CA2413377A1; NO326551B1; WO2002001037A1; GB2364079B; GB2364079A; DE60133554D1; AU2001274343A1; GB0015714D0; US20030111267A1; US7195085B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrmeißel. Aspekte der Erfindung betreffen sowohl feste als auch erweiterbare Bohrmeißel.
Tiefe Bohrungen, wie sie beispielsweise für den Zugang zu unterirdischen kohlenwasserstoffführenden Formationen verwendet werden, werden herkömmlicherweise mit Bohrmeißeln gebohrt, die am Ende eines Bohrrohrstrangs montiert sind, wobei das Bohrrohr von der Oberfläche her gedreht wird. Es ist ebenfalls bekannt, Bohrungen mit Bohrmeißeln zu bohren, die von Bohrlochmotoren angetrieben werden, und Bohrmeißeln an relativ flexiblen Spiralrohren zu montieren. Es gibt derzeit zwei Hauptbohrmeißelformen, die weit verbreitet im Einsatz sind, und zwar Kegelrollenmeißel und Diamantmeißel, wobei die Ersteren hauptsächlich durch Quetschwirkung schneiden und die Letzteren hauptsächlich auf Scherwirkung beruhen.
Beim Bohren von tiefen Löchern ist es üblich, eine Bohrlochsektion zu bohren und dann das Bohrloch vor dem Weiterbohren einzufassen. Mit einem herkömmlichen Meißel mit festem Durchmesser erzeugt jedes nachfolgende Bohren ein Bohrloch mit relativ kleinem Durchmesser; der Bohrmeißel muss durch die eingefasste Bohrlochsektion hinab gelassen werden und muss daher einen kleineren Durchmesser haben als das Mantelrohr. Ein solcher Durchmesserverlust kann beispielsweise durch Verwenden eines Meißels mit zwei Spitzen oder durch Einsatz eines erweiterbaren Meißels minimiert werden. Der Verwendung eines Meißels mit zwei Spitzen muss jedoch das Bohren eines kurzen Pilotlochs vorangehen, das unterschnitten werden muss, um den Meißel aufzunehmen. Auch wurden zwar zahlreiche erweiterbare Meißel vorgeschlagen, aber diese sind komplex im Aufbau und die Anmelderin ist sich keiner solcher Meißel bewusst, die derzeit in kommerziellem Gebrauch sind.
Es ist eine der Aufgaben von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, solche Nachteile abzumildern oder abzustellen, und ein Aspekt der Erfindung betrifft eine verbesserte erweiterbare Bohrmeißelanordnung.
Die US 4904119 offenbart ein Verfahren zum Setzen eines Pfahls im Boden, das die Verwendung von Hebezeug beinhaltet, um Schneidräder aus- und einzufahren, die zwischen einer eingefahrenen und einer erweiterten Konfiguration beweglich sind. Die GB 838833 offenbart einen erweiterbaren Drehbohrmeißel mit Schneidrädern, die zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Bohrkonfiguration beweglich sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein erweiterbarer Bohrmeißel bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen Körper; und wenigstens zwei an dem Körper montierte Schneidräder, wobei die wenigstens zwei Schneidräder zwischen einer ersten Konfiguration mit kleinerem Durchmesser und einer zweiten Konfiguration mit größerem Durchmesser beweglich und so gestaltet sind, dass sie sowohl in der ersten als auch in der zweiten Konfiguration eine Bohrung erzeugen können; dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schneidräder über ein Betätigungsmittel durch Ändern des Bohrfluiddrucks zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration bewegt werden, und dadurch, dass der Meißel so gestaltet ist, dass er mit den wenigstens zwei Schneidrädern in wenigstens einer Zwischenkonfiguration zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration bohren kann.
So kann der Meißel in ein eingefasstes Bohrloch und durch Bohrlochverengungen in der ersten Konfiguration gefahren und dann in die zweite Konfiguration erweitert werden, um eine Bohrung mit einem Durchmesser zu schneiden, der größer ist als das Mantelrohr oder die Bohrlochverengungen. In bestimmten Ausgestaltungen kann der Bohrmeißel auch zum rückwärtigen Erweiterungsbohren, d. h. Zurückziehen des Meißels durch ein Bohrloch und Vergrößern des Bohrlochdurchmessers, verwendet werden.
Andere Aspekte der Erfindung betreffen Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs mit einem Durchmesser, der größer ist als die Bohrlochabmessung über der Bohrstelle unter Verwendung eines erweiterbaren Schneidradbohrmeißels.
Es sind vorzugsweise zwei Schneidräder vorgesehen. Am meisten bevorzugterweise überlappen die inneren Ende der Schneidräder einander, so dass der von den Schneidrädern abgedeckte Schnittbereich in wenigstens einigen Konfigurationen ein voller Kreis ist. In anderen Ausgestaltungen können drei oder mehr Schneidräder vorgesehen werden.
Der Meißel ist so gestaltet, dass er mit den Schneidrädern in der ersten und der zweiten Konfiguration bohrt. In einer Ausgestaltung ermöglicht es dies, den Meißel zum Bohren eines Pilotlochs mit kleinerem Durchmesser mit den Schneidrädern in der ersten Konfiguration und dann Erweitern des Pilotlochs auf einen größeren Durchmesser mit den Schneidrädern in der zweiten Konfiguration zu verwenden. Der Meißel ist so gestaltet, dass er mit den Schneidrädern in Zwischenkonfigurationen zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration zum Bohren von Bohrlöchern mit Zwischendurchmessern bohren kann. Für solche Ausgestaltungen wird bevorzugt, dass die Flächen der Schneidräder für einen Kontakt mit dem Stein immer einen vollen Flugkreis beschreiben, während der Meißel rotiert; ansonsten beschreiben die Schneidräder in einigen Konfigurationen beispielsweise einen ringförmigen Bereich, der einen mittleren Bereich mit ungeschnittenem Stein hinterlässt. Alternativ kann der Meißel so gestaltet sein, dass er nur mit den Schneidrädern in der zweiten Konfiguration oder nur in erweiterten Konfigurationen bohrt. Da bei diesen letzteren Ausgestaltungen keine Notwendigkeit besteht, dass die Schneidräder in der ersten Konfiguration arbeiten, kann die Schneidradkonfiguration zum Bohren von Bohrlöchern mit relativ großem Durchmesser optimiert werden.
Die Schneidräder sind vorzugsweise kegelförmig. Die Kegel können konisch zulaufen, trommelförmig sein oder ein anderes Profil definieren. Am meisten bevorzugt wird, wenn die Kegel jeweils eine Schulter und einen Abschnitt mit maximalem Durchmesser zwischen den Kegelenden definieren. In bevorzugten Ausgestaltungen sind die Kegel so angeordnet, dass der Kegelabschnitt mit maximalem Durchmesser den Durchmesser der Bohrung schneidet.
Jedes Schneidrad kann um seine Hauptachse drehbar sein oder kann um eine Versatzachse drehbar sein, um eine exzentrische Schneidradbewegung und einen „Hammer"-Schneideffekt zu erzielen.
Vorzugsweise beträgt die Schneidradlänge wenigstens 50% des Körperdurchmessers und die Schneidradlänge kann gleich oder größer als der Körperdurchmesser sein.
Die Schneidräder können mit beliebigen geeigneten Schneidstrukturen, Einsätzen oder Flächen versehen sein, einschließlich Wolframcarbidzähne oder -blöcke, polykristalline Diamantformteile oder natürlicher Diamant, mit einem beliebigen geeigneten Verfahren an den Schneidrädern befestigt oder fixiert. Die Schneidstrukturen können in parallelen Reihen oder in der Tat in jedem beliebigen geeigneten Muster oder in einer zufälligen Platzierung angeordnet sein.
Die Schneidräder sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie ein Ineinandergreifen der Schneidstrukturen an jedem Kegel zulassen.
Vorzugsweise sind die Schneidräder um eine nichtradiale Achse drehbar. Die Schneidräder erzielen somit eine Scher- oder Schaufelwirkung, während der Meißel rotiert. Die Schneidradachsen sind vorzugsweise parallel, können aber auch konvergieren oder divergieren. Vorzugsweise liegt jede Schneidradachse in einer Ebene, die nicht lotrecht zur Körperachse ist, aber die Schneidradachsen können auch lotrecht zur Körperachse sein, um eine weniger aggressive Schneidwirkung zu erzielen.
Die Schneidräder sind vorzugsweise an Armen montiert, die schwenkbar an dem Körper montiert sind. Die Schneidradachsen können in einer Ebene liegen, die nicht parallel zur lateralen Achse des Meißelkörpers ist, die lotrecht zu der/den Drehachse(n) verläuft. Dies erleichtert die Erzielung eines kreisförmigen Schnittbereichs und die Vermeidung eines ungeschnittenen Bereichs, wenn die Schneidräder erweitert werden. In anderen Ausgestaltungen, besonders dann, wenn der Meißel in der ersten und der zweiten Konfiguration bohren kann, können die Schneidradachsen in einer Ebene liegen, die parallel zur Meißelkörperachse ist; alle Bereiche, in denen die Schneidräder in der zweiten Konfiguration nicht wirksam sind, wurden bereits durch das Bohren eines Pilotlochs mit den Schneidrädern in der ersten Konfiguration entfernt. Die Arme können auf einer gemeinsamen Drehachse montiert sein.
Die Schneidräder werden vorzugsweise an beiden Enden getragen und sind am meisten bevorzugt mit Lagern und Dichtungen an beiden Enden versehen und werden somit wahrscheinlich robuster sein als ein herkömmlicher Kegelrollenmeißel, bei dem die Schneidräder nur an einem Ende gelagert sind.
Der Meißel beinhaltet Mittel zum Betätigen der Schneidräder zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration. Das Mittel wird durch Fluiddruck betätigt und kann eine durch Bohrfluid betätigte Kolbenanordnung oder eine andere Anordnung wie z. B. eine Bohrdrossel oder ein Profil aufweisen, das so gestaltet ist, dass es eine Kugel oder eine andere Drossel hält. Wenn eine Kolbenanordnung verwendet wird, dann können zwei oder mehr „Verstärker"-Kolben vorgesehen werden, um die verfügbaren aufgebrachten Kräfte zu erhöhen. Am bevorzugtesten kam das Mittel selektiv betätigt werden, z. B. mittels einer Nockenbahn- und Stößelanordnung, und kam selektiv in einer oder in beiden Konfigurationen arretiert oder gehalten werden. Am meisten bevorzugt wird, wenn das Mittel so gestaltet ist, dass es die Schneidräder selektiv formschlüssig aus der zweiten Konfiguration zurückzieht. Das Betätigungsmittel kam eine Feder oder andere Anordnung aufweisen, so dass das Mittel vorgespannt wird, um die Schneidräder in die erste Konfiguration zu drücken.
Der Körper oder andere Komponenten, z. B. Kegelschäfte, können ein Schmiermittelreservoir zum Zuführen von Schmiermittel zu Lagern und anderen in dem Meißel vorgesehenen beweglichen Teilen definieren, und das Reservoir kam einen durch Bohrfluid betätigten Kolben oder sonstigen Mechanismus aufweisen, der Schmiermittel zu den benötigten Stellen pumpt.
Der Körper kam Spüldüsen definieren, die je nach der Konfiguration der Schneidräder selektiv geöffnet oder geschlossen werden können, um den von dem Meißel erzeugten Staudruck zu verändern, und kam eine Anzeige an der Oberfläche der Schneidradkonfiguration bereitstellen. Die Düsen können Fluid auf die Kegelflächen und in Richtung auf den Boden oder die Seiten der Bohrung leiten.
Der Meißel kann Schneidflächen zusätzlich zu den von den Schneidrädern erzielten definieren, so können z. B. die Körper- oder Schneidradtragarme Schneidflächen definieren.
Viele der verschiedenen bevorzugten Merkmale des ersten Aspekts der Erfindung können auch vorteilhaft in einem Bohrmeißel mit festem Durchmesser oder in Meißeln nicht gemäß den oben dargelegten verschiedenen Aspekten der Erfindung eingesetzt werden, und Meißel mit gewählten dieser Merkmale und den Merkmalen der nachfolgend dargelegten Unteransprüche bieten weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Teilschnittansicht eines Bohrmeißels gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, in einer ersten Konfiguration dargestellt;
2 eine Ansicht des Bohrmeißels von 1 von unten;
3 eine Teilschnittansicht des Bohrmeißels von 1 in einer zweiten Konfiguration;
4 eine Ansicht des Bohrmeißels von 3 von unten;
5 eine Teilschnittansicht eines Bohrmeißels gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration;
6 eine Ansicht des Bohrmeißels von 5 von unten;
7 eine Teilschnittansicht des Bohrmeißels von 5 in einer zweiten Konfiguration; und
8 eine Ansicht des Bohrmeißels von 7 von unten.
Zunächst mit Bezug auf 1 der Zeichnungen, diese illustriert einen Bohrmeißel 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Wie beschrieben wird, umfasst der Meißel 10 konische Schneidräder 12, 13, die zwischen einer ersten Konfiguration mit kleinerem Durchmesser, wie in den 1 und 2 gezeigt, und einer zweiten Konfiguration mit größerem Durchmesser beweglich sind, wie in den 3 und 4 gezeigt. So kann der Meißel 10 durch Bohrlochengstellen passieren und dann erweitert werden, um Bohrlöcher mit größerem Durchmesser zu schneiden, wie beschrieben wird.
Der Meißel 10 umfasst einen allgemein zylindrischen Körper 14, der für die Montage am Ende eines Bohrstrangs gestaltet ist. Wie illustriert, ist der Körper 14 mit einem kastenartigen Verbinder 16 für den Eingriff mit einem zapfenartigen Verbinder am Ende eines Bohrstrangs versehen. Die Schneidräder 12 werden am unteren Ende des Körpers 14 durch jeweilige Schwenkarme 18, 19 montiert. Das untere Ende des Körpers 14 hat die Form einer Erweiterung 20, die eine Montage für einen Drehzapfen 22 vorsieht, an dem die Arme 18, 19 montiert sind, wobei die Arme jeweils eine schäkelähnliche Anordnung haben, so dass die Arme jeweils an zwei beabstandeten Stellen auf gegenüberliegenden Seiten der Erweiterung 20 in den Zapfen eingreifen. Der Drehzapfen 22 ist so angeordnet, dass die Drehachse 24 der Arme 18, 19 die Körperachse 26 schneidet und im rechten Winkel dazu liegt.
Die Schneidräder 12, 13 definieren jeweils einen Abschnitt 28 mit maximalem Durchmesser zwischen den Schneidradenden und definieren eine Schulter 30 zwischen dem Abschnitt 28 und dem äußeren Schneidradende. Die Schneidräder 12, 13 werden auf Schäften (nicht dargestellt) montiert, die entlang den jeweiligen Schneidradachsen 32, 33 verlaufen, wobei die Schäfte an beiden Enden durch Finger 34, 35 getragen werden, die sich von den Enden der Arme 18, 19 erstrecken. Aus 1 geht hervor, dass die Schneidradachsen 32 in einer Ebene liegen, die in einem spitzen Winkel A zur Körperachse 26 liegt, und aus 2 geht hervor, dass die Schneidradachsen 32, 33 in zueinander parallelen vertikalen Ebenen liegen.
Der Meißel 10 ist so gestaltet, dass er in der ersten Konfiguration schneiden kann und der Wirkbereich der Schneidräder 12, 13 ist durch die strichpunktierte Linie B in 2 angedeutet. Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser des Flugkreises durch die Schneidradabschnitte 28 mit maximalem Durchmesser definiert wird, die eine Bohrung mit einem Durchmesser bohren, der größer ist als der Meißelkörper 14.
Die Schneidräder 12, 13 werden zwischen der ersten Konfiguration, wie in den 1 und 2 illustriert, und der zweiten Konfiguration, wie in den 3 und 4 illustriert, durch Aufbringen von Bohrfluiddruck bewegt, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Körper ist teilweise hohl und definiert eine axial allgemein zylindrische Kammer 36, die einen ringförmigen Kolben 38 aufnimmt, der um eine zentrale Positionierhülse 40 montiert ist, wobei das untere Ende der Hülse am Körper 14 befestigt ist. Der Abschnitt der Kammer 36 unterhalb des Kolbens 38 nimmt eine Feder 42 auf, um den Kolben 38 in eine obere Position zu drücken, und dieser Abschnitt der Kammer ist über die Lüftungsöffnung 44 auch mit der Außenseite des Körpers in Verbindung. Der Kolben 38 ist als Reaktion auf Fluiddruck im Körper 14 beweglich, aber die axiale Bewegung des Kolbens 38 wird durch ein Nockenprofil 46 bestimmt, das in der Außenfläche des Kolbens 38 ausgebildet ist und mit einem in der Körperwand montierten Exzenterbolzen 48 zusammenwirkt. So wird der Kolben 38, während Fluiddruck im Körper umgewälzt wird, axial und rotatorisch bewegt, wie dies das Ineinandergreifen des Nockenprofils 46 und des Bolzens 48 zulässt, wobei die begleitende Rotation des Kolbens 38 durch ein vorgesehenes Lagers 50 zwischen dem unteren Ende des Kolbens 38 und der Feder 42 erleichtert wird.
Das Nockenprofil 46 ist so angeordnet, dass der Kolben 38 nur vorfährt, um die Schneidräder 12, 13 an gewählten Punkten in einem Druckzyklus zu erweitern. Zu anderen Gelegenheiten hat das Nockenprofil 46 die Aufgabe, die axiale Vorwärtsbewegung (zu Punkt C) zu begrenzen, um ein Erweitern der Schneidräder zu verhüten, so dass Bohrfluid umgewälzt und gebohrt werden kann, während die Schneidräder 12, 13 in der ersten Konfiguration bleiben. Wenn das Nockenprofil 46 jedoch in einer gewählten Orientierung ist, dann kann der Kolben 38 zu der in 3 illustrierten Position vorfahren, um die Schneidräder 12, 13 völlig zu erweitern. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann das Nockenprofil so gewählt werden, dass die Schneidräder 12, 13 in inkrementalen Schritten erweitert werden, d. h. die Schneidräder 12, 13 können formschlüssig in Zwischenpositionen zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration gebracht werden.
In ihrer vorgefahrenen Position greift das untere Ende des Kolbens 38 in den Kopf des Stabes 52 ein, der sich in die Körperkammer 36 erstreckt, wobei der Stab 52 wie der Kolben 38 von einer Feder 54 in Richtung auf eine eingefahrene Schneidradkonfiguration vorgespannt wird. Der Stab 52 verläuft durch den Körper 14 und greift in eine Schürze 56 ein, die um die Körpererweiterung 20 herum montiert ist. Die Schürze 56 hat zwei axial verlaufende Zungen 58 (nur eine zu sehen) auf beiden Seiten der Körpererweiterung, wobei jede Zunge 58 einen Exzenterbolzen 60 trägt, der sich in einem Nockenschlitz 62 im oberen Ende eines jeweiligen Schneidradmontagearms 18, 19 befindet.
So erzeugt also eine Vorwärtsbewegung des Kolbens 38, wenn vom Nockenprofil 46 zugelassen, eine entsprechende Bewegung des Stabs 52 und der Schürze 56. Da die Exzenterbolzen 60 der Hülse von der Drehachse 24 versetzt sind, bewirkt eine axiale Bewegung der Bolzen 60, dass die Arme 18, 19 nach außen schwenken, um die Schneidräder 12, 13 in Richtung auf die zweite Konfiguration mit größerem Durchmesser zu bewegen, wie die 3 und 4 zeigen. Um jedoch unnötige Spannungen der Bolzen 60 minimal zu halten, fahren die Bolzen 60 nicht bis zu den Enden der Schlitze 62. Das Vorsehen der Nockenschlitze 62 in den Armen 18, 19 bietet auch den Vorteil, dass die Arme als Reaktion auf die Wirkung der Feder 54 formschlüssig zurückgezogen werden, wenn der Fluiddruck abfällt, damit der Stab 52 in den Körper 14 einfahren kann.
Man stellt auch fest, dass das blinde Ende der Schlitze 62 eine kurze Verlängerung 63 aufweist, die lotrecht zum Rest des Schlitzes liegt, und diese Verlängerung 63 liegt longitudinal zum Meißel 10, wenn die Schneidräder 12, 13 völlig erweitert sind. So induziert die Bewegung der Schürze 56 entsprechend dem Ende des Hubs des Kolbens 38 keine entsprechende Rotation der Arme 18, 19, sondern diese Bewegung bringt die Schürze 56 in Eingriff mit der durch die Amme 18, 19 definierten gegenüberliegenden Fläche 66. Diese Flächen 66 fungieren als Rasten und dienen zum Übertragen von Kräften von den Armen 18, 19 auf die Schürze 56 und zum Reduzieren der auf den Drehzapfen 22 übertragenen Last (3 zeigt die Fläche 66 und das Ende der Schürze beabstandet). Ferner dienen die Flächen zum Verriegeln der Schneidräder 12, 13 in der erweiterten Konfiguration, was besonders dann nützlich ist, wenn der Meißel für ein rückwärtiges Erweiterungsbohren konfiguriert ist.
Wenn die Schürze 56 nach unten gedrückt wird, werden die Bohrfluidöffnungen 64 geöffnet, so dass Fluid vom Körper fließen kann. Dies führt zu einem Abfall des Fluiddrucks im Körper und dieser Druckabfall wird an der Oberfläche erfasst und zeigt an, dass die Schneidräder 12, 13 in die zweite Konfiguration bewegt wurden. Falls gewünscht, kann eine Reihe von Auslassöffnungen hinter der Schürze 56 vorgesehen werden, die in Folge geöffnet werden, wenn die Schürze 56 während der Bewegung der Schneidräder 12, 13 zwischen der ersten und der zweiten Position vorbewegt wird. So können die resultierenden Druckabfälle als Indikator für das Ausmaß des Erweiterns der Schneidräder 12, 13 benutzt werden. Ferner neigt der Fluss von Fluid von den Öffnungen 64 auch dazu, Schneidabfälle von hinter der Schürze 56 auszuspülen, so dass die Schürze 56 nicht verklemmt, wenn die Schneidräder eingefahren werden. Außerdem wirkt Fluiddruck vor dem Abwärtsbewegen der Schürze 56 über die Öffnungen 64 auf die Schürze, wobei die Schürze 56 als Kolben wirkt und das anfängliche Erweitern der Schneidräder 12, 13 erleichtert.
Die Arme 18, 19 definieren Flächen 66, die so gestaltet sind, dass sie in die Körpererweiterung 20 eingreifen, wenn die Amme 18, 19 in der völlig ausgefahrenen Position sind. Der Eingriff zwischen den Flächen 66 und der Körpererweiterung 20 begrenzt die Bewegung der Arme 18, 19 und dient zum Wegnehmen eines Teils der auf den Drehbolzen 22 und die Armbetätigungsanordnung wirkenden Spannung, wenn das Gewicht beim Bohren auf den Meißel 10 aufgebracht wird.
Beim Gebrauch kann der Meißel 10 beispielsweise zum Bohren einer Bohrlochsektion unterhalb einer zuvor eingefassten Bohrungssektion verwendet werden. In diesem Fall wird der Meißel 10 so gewählt, dass sein Durchmesser geringer ist als der Innendurchmesser des Bohrrohrs, damit der Meißel 10 in das Bohrloch gefahren werden kann. Nach dem Erreichen des unteren Endes der eingefassten Bohrlochsektion wird Bohrfluid durch den Tragstrang in den Meißel 10 gepumpt, wo es den Meißel durch verschiedene Spüldüsen (nicht gezeigt) verlässt, und Strang und Meißel 10 werden von der Oberfläche her gedreht. Die Schneidräder 12, 13 rotieren um die Endfläche des Bohrlochs und zerquetschen den Stein auf der Fläche, der dann durch das Bohrfluid entfernt wird. Auf diese Weise kann der Meißel 10 zum Bohren eines Pilotlochs verwendet werden. Der Meißel 10 kann dann zurück bis unmittelbar unterhalb des Endes der eingefassten Bohrlochsektion gezogen und der Bohrfluiddruck umgewälzt werden, so dass der Kolben 28 in eine Position gedreht wird, wo das Nockenprofil 46 ein völliges Ausfahren des Kolbens 38 zulässt. Der Bohrfluiddruck wird erhöht, so dass der Kolben 38 gegen die Wirkung der Federn 42, 54 abwärts bewegt wird, und die Schneidräder 12, 13 werden in Richtung auf die erweiterte zweite Konfiguration gedrückt. Die Schneidräder 12, 13 können möglicherweise nicht sofort völlig ausfahren, aber wenn der Meißel 10 gedreht wird, dann können die Schneidräder 12, 13 radial auswärts schneiden, bis die Schneidräder 12, 13 ihre maximale Erweiterung erreichen. Der Meißel 10 kann dann axial vorgefahren werden und in dieser Konfiguration schneiden die Schneidräder 12, 13 einen ringförmigen Bereich D, um den Durchmesser des existierenden Pilotlochs zu erweitern.
Es wird für die Fachperson offensichtlich sein, dass die Arm- und Schneidradkonfiguration variiert werden können, um unterschiedliche Schneidkonfigurationen zu erzielen. Wo jedoch die Schneidräder au beiden Enden getragen werden sollen, da ist Sorgfalt erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Finger 34, 35 nicht mit der Bohrlochwand in Kontakt kommen und im Wirkbereich der Schneidräder 12, 13 liegen.
Es wird nun auf die 5, 6, 7 und 8 der Zeichnungen Berg genommen, die einen Bohrmeißel 110 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung illustrieren. Der Meißel 110 hat viele Merkmale mit dem oben beschriebenen Meißel 10 gemeinsam. Demzufolge werden der Kürze halber Merkmale von Strukturen und Betrieb, die beiden Meißeln 10, 110 gemeinsam sind, nicht nochmals ausführlich beschrieben, und entsprechende Merkmale des Meißels 110 werden mit denselben Bezugsziffern und mit dem Präfix „1" bezeichnet.
Der Meißel 110 dient vornehmlich für den Einsatz beim Bohren mit den Schneidrädern 112, 113 in der zweiten Konfiguration (wie in 7 und 8 gezeigt). So haben die Schneidräder 112, 113 ein längeres Profil und die Kegelachsen 132, 133 befinden sich in Ebenen, die nicht parallel zur lateralen Achse des Meißelkörpers liegen, die lotrecht zur Armdrehachse ist. Die Schneidradinnenkanten liegen jedoch auf dieser lateralen Achse des Meißelkörpers und bewegen sich beim Ausfahren der Schneidräder 112, 113 entlang dieser Achse. Dadurch wird gewährleistet, dass der Wirkbereich der Schneidräder 112, 113 ein voller Kreis ist und dass kein Bereich zwischen den Schneidrädern 112, 113 ungeschnitten bleibt.
Der Meißel 110 hat auch eine vereinfachte Kolbenanordnung, da es keine Nockenanordnung zum Steuern der Bewegung des Kolbens 128 gibt: der Kolben 128 bewegt sich einfach axial als Reaktion auf Änderungen des Bohrfluiddrucks.
Es wird für die Fachperson offensichtlich sein, dass die oben beschriebenen Ausgestaltungen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind und dass verschiedene Modifikationen und Verbesserungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere können viele der oben beschriebenen Merkmale der erweiterbaren Meißel auch in einem Meißel mit festem Durchmesser verwendet werden. Ebenso können Meißel, die gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, so konfiguriert werden, dass die Meißel zum rückwärtigen Erweiterungsbohren verwendet werden können. Für solche Meißel ist es wünschenswert, dass die Schneidräder formschlüssig in der zweiten Konfiguration gehalten werden, wie dies in der ersten beschriebenen Ausgestaltung der 1 bis 4 der Fall ist. Zusätzlich oder alternativ zum Bereitstellen der Arme mit einer Arretierfläche 66 zum Eingreifen in die Schürze 56 können Schürze und Arme auch zusammenwirkende Profile wie z. B. Zahnungen oder Zungen aufweisen.

Claims

Erweiterbarer Bohrmeißel, der Folgendes umfasst: einen Körper (14); und wenigstens zwei an dem Körper (14) montierte Schneidräder (12, 13), wobei die wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) zwischen einer ersten Konfiguration (B) mit kleinerem Durchmesser und einer zweiten Konfiguration (D) mit größerem Durchmesser beweglich und so gestaltet sind, dass sie sowohl in der ersten (B) als auch in der zweiten (D) Konfiguration eine Bohrung erzeugen können; dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) über ein Betätigungsmittel durch Ändern des Bohrfluiddrucks zwischen der ersten Konfiguration (B) und der zweiten Konfiguration (D) bewegt werden, und dadurch, dass der Meißel so gestaltet ist, dass er mit den wenigstens zwei Schneidrädern in wenigstens einer Zwischenkonfiguration zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration bohren kann.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei zwei Schneidräder vorgesehen sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die inneren Enden der Schneidräder einander überlappen.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Flächen der Schneidräder für den Kontakt mit dem Stein beim Bohren immer einen vollen Flugkreis beschreiben, während der Meißel rotiert.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder die Form von Kegeln haben.
Bohrmeißel nach Anspruch 5, wobei die Kegel jeweils eine Schulter und einen Abschnitt mit maximalem Durchmesser zwischen den Kegelenden definieren.
Bohrmeißel nach Anspruch 6, wobei die Kegel so angeordnet sind, dass der Kegelabschnitt mit maximalem Durchmesser den Durchmesser der Bohrung schneidet.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Schneidrad um seine Hauptachse drehbar ist.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes Schneidrad um eine Versatzachse drehbar ist, um eine exzentrische Schneidradbewegung und einen Hammerschneideffekt zu erzielen.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidradlänge wenigstens 50% des Körperdurchmessers beträgt.
Bohrmeißel nach Anspruch 10, wobei die Schneidradlänge gleich oder größer als der Körperdurchmesser ist.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder so gestaltet sind, dass sie ein Ineinandergreifen von Schneidstrukturen an jedem Schneidrad zulassen.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder um jeweilige nichtradiale Achsen drehbar sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 13, wobei die Schneidradachsen parallel sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 13, wobei die Schneidradachsen nicht parallel sind.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede Schneidradachse in einer Ebene liegt, die nicht lotrecht zur Hauptkörperachse ist.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Schneidradachsen lotrecht zur Körperachse liegen.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder an Armen montiert sind, die schwenkbar an dem Körper montiert sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 18, wobei die Schneidradachsen in Ebenen liegen, die nicht parallel zu einer lateralen Achse des Hauptmeißelkörpers sind, und wobei die laterale Achse des Hauptmeißelkörpers lotrecht zu der/den Drehachse(n) der Arme ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 18, wobei die Schneidradachsen in Ebenen liegen, die zur lateralen Achse des Hauptmeißelkörpers parallel sind, wobei die laterale Achse des Hauptmeißelkörpers lotrecht zu der/den Drehachse(n) der Arme ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 18, 19 oder 20, wobei die Arme auf einer gemeinsamen Drehachse montiert sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 21, wobei die genannte gemeinsame Drehachse durch einen gemeinsamen Drehbolzen definiert wird.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei jeder Arm an einem Drehbolzen montiert ist und jeder Arm an zwei beabstandeten Stellen entlang der Länge des Drehbolzen in diesen eingreift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Arme Auflageflächen definieren und wobei die Auflageflächen in der zweiten Konfiguration der Schneidräder in einen Teil des Körpers eingreifen, wobei die Flächen als Rasten fungieren und zum Übertragen von Kräften auf den Körper dienen.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder an beiden Enden gelagert sind.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder mit Lagern an beiden Enden versehen sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, wobei das Mittel eine durch Bohrfluid betätigte Kolbenanordnung beinhaltet.
Bohrmeißel nach Anspruch 27, wobei die durch Bohrfluid betätigte Kolbenanordnung wenigstens einen Kolben umfasst.
Bohrmeißel nach Anspruch 28, wobei der wenigstens eine Kolben ringförmig ist und eine Durchgangsbohrung definiert, durch die Fluid strömen kann.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei das Mittel eine Nockenbahn- und -stößelanordnung beinhaltet.
Bohrmeißel nach Anspruch 30, wobei die Nockenbahn so konfiguriert werden kann, dass sie die Schneidräder in der ersten Konfiguration hält.
Bohrmeißel nach Anspruch 30 oder 31, wobei die Nockenbahn so konfiguriert werden kann, dass sie die Schneidräder in wenigstens einer Zwischenposition zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration halten kann.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 27 bis 32, wobei das Mittel so gestaltet ist, dass es die Schneidräder selektiv formschlüssig aus der zweiten Konfiguration zurückzieht.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 27 bis 33, wobei das Betätigungsmittel eine solche Anordnung hat, dass das Mittel so vorgespannt wird, dass es gegen die Schneidräder drückt, damit diese die erste Konfiguration einnehmen.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 27 bis 34, wobei das Betätigungsmittel eine axial bewegliche Schürze umfasst.
Bohrmeißel nach Anspruch 35, wobei die Schürze einen Kolbenbereich definiert, der beim Gebrauch dem internen Körperfluiddruck ausgesetzt ist, so dass eine Zunahme eines solchen Drucks dazu neigt, die Schürze auszudehnen und somit die Schneidräder zur zweiten Konfiguration hin zu bewegen.
Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 27 bis 36, wobei das Betätigungsmittel Mittel zum Halten der Schneidräder in der zweiten Konfiguration umfasst.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneidräder so konfiguriert sind, dass sie ein rückwärtiges Erweiterungsbohren zulassen, wenn die Schneidräder in der zweiten Konfiguration sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 35 oder 36, wobei die Schürze so konfiguriert ist, dass sie formschlüssig in die Arme eingreift, um die Schneidräder mechanisch in der zweiten Konfiguration und/oder der Zwischenkonfiguration zu verriegeln.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Meißel ein Schmiermittelreservoir zum Zuführen von Schmiermittel zu Lagern und anderen beweglichen Teilen in dem Meißel definiert.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Körper Spüldüsen definiert.
Bohrmeißel nach Anspruch 41, wobei die Düsen so konfiguriert werden können, dass sie je nach der Konfiguration der Schneidräder selektiv geöffnet oder geschlossen werden können.
Bohrmeißel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Körper Fluidauslässe definiert, die so konfiguriert werden können, dass sie je nach der Konfiguration der Schneidräder selektiv geöffnet oder geschlossen werden können, und wobei die Schneidenkonfiguration beim Gebrauch von der Oberfläche durch Überwachen des resultierenden Fluidstaudrucks bestimmt werden kann.
Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung, das die folgenden Schritte beinhaltet: Bereitstellen eines erweiterbaren Bohrmeißels (10), der einen Körper (14) und wenigstens zwei an dem Körper (14) montierte Schneidräder (12, 13) umfasst, wobei die wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) zunächst in einer ersten Konfiguration (B) mit kleinerem Durchmesser sind; Erzeugen der Bohrung mit den wenigstens zwei Schneidrädern (12, 13) in der ersten Konfiguration (B); Bewegen der wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) von der ersten Konfiguration (B) in eine zweite Konfiguration (D) mit größerem Durchmesser; und Erweitern der Bohrung mit den wenigstens zwei Schneidrädern (12, 13) in der zweiten Konfiguration (D) und wobei die wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) einen Schnittdurchmesser definieren, der größer ist als der erste Durchmesser; gekennzeichnet durch Bewegen der wenigstens zwei Schneidräder (12, 13) von der ersten Konfiguration (B) in die zweite Konfiguration (D) durch Ändern des Bohrfluiddrucks, und dadurch, dass der Meißel so gestaltet ist, dass er mit den wenigstens zwei Schneidrädern in wenigstens einer Zwischenkonfiguration zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration bohrt.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei der Bohrmeißel in eine ausgefütterte Bohrung eingeführt wird.