EP0429765A2

EP0429765A2 - Richtungsbohrwerkzeug

Info

Publication number: EP0429765A2
Application number: EP90116046A
Authority: EP
Inventors: Rainer Dr.-Ing. Jürgens; Rudolf Prof. Röper; Dietmar Krehl; Dagobert Feld; Joachim Dr.-Ing. Oppelt
Original assignee: Eastman Christensen Co; Eastman Teleco Co
Current assignee: Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1991-06-05
Also published as: DE3939538C2; DE3939538A1; CA2031093A1; NO905190L; US5156222A; EP0429765A3; NO905190D0

Abstract

Ein Bohrwerkzeug für das Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs für das Bohrloch (1) umfaßt ein über obere Anschlußmittel mit einem Bohrrohrstrang (2) verbindbares rohrförmiges Werkzeuggehäuse (3,5), eine in dem Werkzeugehäuse (3,5) mittels eines Drehantriebs (14) in Drehung versetzbare, auf ihrem aus dem Werkzeuggehäuse (3,5) vorstehenden Ende (9) einen Bohrmeißel (10) tragende Meißelwelle (8), eine Anzahl von über den Umfang verteilt im Werkzeuggehäuse (3,5) abgestützten, von einem Druckmittel betätigbaren Kraftgebern (7) zur Erzeugung von Richtkräften mit radialer Kraftkomponente, und eine Steuervorrichtung (15) für die Kraftgeber. Dabei ist das Bohrwerkzeug mit einer der Meißelwelle (8) zugeordneten Schlagvorrichtung (12) versehen (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerzeug für das Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs für das Bohrloch in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 31 22, 552 bekannt ist.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Richtungsbohrwerkzeug der genannten Art zu schaffen, das ein verbessertes Richtungsverhalten bei erhöhtem Bohrfortschritt erbringt. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einen Bohrwerkzeug gemäß den Patentanspruch 1. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Patentansprüche 2 bis 5 verwiesen.
Die Ausbildung des Bohrwerkzeugs mit einer der Meißelwelle zugeordneten Schlagvorrichtung ermöglicht einen Bohrbetrieb mit wesentlich herabgesetzter statischer Andruckraft auf den Bohrmeißel mit der Folge von entsprechend herabgesetzten Seitenkraftkomponenten am Bohrmeißel, die als Störkräfte den gewünschten Richtungsverlauf des Bohrwerkzeugs beeinflussen. Die durch Herabsetzung der Seitenkräfte geringeren Auslenkungen des Bohrwerkzeugs sind mit niedrigeren radialen Steuerkräften kompensierbar, und die Herabsetzung von Ablenkungen und die Reduzierung von Steuerkräften schaffen in Verbindung mit erhöhter Effektivität des Ge steinszerstörungsprozesses am Bohrmeißel einen beträchtlich erhöhten Bohrfortschritt. Das Bohrwerkzeug ist mit besonders günstigen Ergebnissen in hartem oder spröden Gestein einsetzbar sowie in Bodenverhältnissen mit für die Richtungsführung ungünstigen Schichtverläufen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung schematisch näher veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine erste Ausführung eines Bohrwerkzeugs nach der Erfindung in einer abgebrochenen, teilweise geschnittenen Seitenansicht, und
Fig. 2: eine Darstellung ähnlich Fig. 1 einer zweiten Werkzeugausführung.

Das in Fig. 1 in einem schematisch angedeuteten Bohrloch 1 veranschaulichte Bohrwerkzeug ist an seinem oberen Ende über Anschlußmittel, z.B. Schraubgewinde, mit einen Bohrrohrstrang 2 verbindbar und umfaßt ein im Bohrbetrieb verdrehfestes Werkzeuggehäuse mit einem oberen Gehäuseteil 3, das in unteren Bereich mit Stabilisatorflügeln 4 versehen ist, sowie einen unteren Gehäuseteil 5, der in seinem oberen Bereich mit Stabilisatorflügeln 6 und in seinem unteren Bereich mit vier radial aus- und einwärtsverschieblichen Kraftgebern 7 in Gestalt von Druckstücken versehen ist, die in Kontakt mit der Wandung des Bohrlochs 1 die Ausrichtung des Bohrwerkzeugs und damit den Richtungsverlauf des Bohrlochs bestimmen.
Das Bohrwerkzeug umfaßt weiterhin eine Meißelwelle 8, die im oberen Gehäuseteil 3 drehbar gelagert ist, sich durch das untere Gehäuseteil 5 hindurcherstreckt, in diesem drehbar gelagert ist und auf ihrem aus dem unteren Gehäuseteil 5 vorstehenden Ende 9 einen Bohrmeißel 10 trägt. Die Meißelwelle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet und umgrenzt einen zentralen Längskanal 11, der den Innenraum des Bohr rohrstranges 2 fortsetzt und im Bereich des Bohrmeißels 10 ausmündet. Zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseteil 3,5 ist eine Schlagvorrichtung 12 vorgesehen, die Bestandteil der Meißelwelle 8 bildet. Die Schlagvorrichtung 12 kann irgendeine bekannte oder geeignete Ausführung haben und erzeugt mit Hilfe des Bohrspülungsmediums im unteren Teil 13 der Meißelwelle 8 schwingende Axialkräfte, welche eine gering bemeßbare statische Axialkraft überlagern und dem Bohrmeißel 10 eine Andruckkomponente mit Schwellcharakteristik vermitteln.
Das obere Ende der Meißelwelle 8 ist mit einen nur schematisch angedeuteten, im oberen Gehäuseteil 3 untergebrachten Drehantrieb 14 verbunden, der die Meißelwelle 8 in eine vorzugsweise langsame Umdrehung versetzt und dem Bohrmeißel 10 eine rotative Umsetzbewegung erteilt.
Im unteren Gehäuseteil 5, das ebenso wie das obere Gehäuseteil 3 rohrförmig ausgebildet ist, ist eine nur schematisch angedeutete Steuervorrichtung 15 untergebracht, die Sensoren zur Ermittlung des Bohrlochverlaufes - d.h. der jeweiligen Lage des Bohrwerkzeugs, insbesondere dessen Neigung - sowie ein Auswertungsgerät zur Auswertung ermittelter Daten und einen Geber zur Erteilung von Steuerbefehlen umfaßt, durch welche die druckmittelbetätigten Kraftgeber 7 von denen zumindest vier über den Umfang verteilt angeordnet sind, radial positioniert und in ihrer Position fixiert werden.
Der Meß- und Auswerteteil der Steuervorrichtung 15 kann selbständig nach einem vorgegebenen Programm den Richtungsverlauf des Bohrloches 1 bestimmen und mit einer eigenen Spannungsquelle ausgerüstet sein. Er kann aber auch, wie das bei den dargestellten Beispielen der Fall ist, über ein Verbindungskabel 16 mit einem nicht dargestellten, obertägigen Steuerleitgerät für einen ständigen Datenaustausch verbunden sein. Zugleich kann über ein derartiges Verbindungskabel 16, das zweckmäßig im Innern des Bohrrohrstranges 2 und anschließend zumindest über einen Teil seiner Länge im Ringraum der mit dem Bohrwerkzeug erbohrten Bohrung 1 verläuft, die Stromversorgung der Steuervorrichtung 15 vorgenommen werden. Als Spülungsmedium findet bevorzugt Druckluft Verwendung, insbesondere für Bohrungen im Bergbau oder in der Bauwirtschaft, die häufig nur über wenige hundert Meter Tiefe angelegt werden. Die Verwendung von Druckluft als Spülungsmedium verbessert den Löseeffekt auf Bohrkleins in harten Formationen und begünstigt das Vorsehen eines Verbindungskabels, an dessen Stelle bei Druckluft als Spülungsmedium auch andere Übertragungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise Schleifringübertrager oder transformatorische Kopplungen. Bei Verwendung eines flüssigen Spülungsmediums bietet sich hingegen eine Informationsübertragung durch Druckänderungen in der Spülungssäule an, wie sie in der Tiefbohrtechnik gebräuchlich ist. Die vom Bohrspülungsmedium betätigten Aggregate wie der Drehantrieb und die Schlagvorrichtung haben eine auf das verwendete Bohrspülungsmedium jeweils abgestimmte Ausbildung.
Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführung, bei der der Meißelwelle 8 oberhalb der Schlagvorrichtung 12 ein Stoßdämpfer 17 zugeordnet ist. Dieser Stoßdämpfer ist Bestandteil der Meißelwelle 8 und im Bereich zwischen den Gehäuseteilen 3,5 an jener Stelle angeordnet, an der sich in Fig. 1 die Schlagvorrichtung 12 befindet. Die Schlagvorrichtung 12 ist bei der Ausführung nach Fig. 2 in dem im Innern des Gehäuseteils 5 gelegenen Bereich der Meißelwelle 8 angeordnet. Dementsprechend hat die Steuervorrichtung 15 eine Anordnung im unteren Bereich des Gehäuseteils 15 und in Höhe der Kraftgeber 7 gefunden, und auch diese Steuervorrichtung 15 ist über ein Verbindungskabel 16 mit einem obertägigen Steuerleitstand verbunden. Der Stoßdämpfer 17 schützt die Gewindeverbindungen bei auftretenden axialen Stoßbelastungen, so daß die Amplitude der Axialkraftschwingungen gefahrlos für die Gewindeverbindungen, aber auch für die Bestandteile des Meß- und Auswerteteils der Steuervorrichtung 15, vergrößert werden kann. Auch hiermit geht eine Erhöhung des Bohrfortschritts einher.

Claims

Bohrwerkzeug für das Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs für das Bohrloch (1), mit einem über obere Anschlußmittel mit einem Bohrrohrstrang (2) verbindbaren rohrförmigen Werkzeuggehäuse (3,5)und einer in dem Werkzeuggehäuse (3,5) mittels eines Drehantriebs (14) in Drehung versetzbaren, auf ihrem aus dem Werkzeuggehäuse (3,5) vorstehenden Ende (9) einen Bohrmeißel (10) tragenden Meißelwelle (8), mit einer Anzahl von über den Umfang verteilt im Werkzeuggehäuse (3,5) abgestützten, von einem Druckmittel betätigbaren Kraftgebern (7) zur Erzeugung von Richtkräften mit radialer Kraftkomponente, und mit einer Steuervorrichtung (15) für die Kraftgeber, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug eine der Meißelwelle (8) zugeordnete Schlagvorrichtung (12) umfaßt.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meißelwelle (8) oberhalb der Schlagvorrichtung (12) ein Stoßdämpfer (17) zugeordnet ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug mit Druckluft als Bohrspülung betrieben ist.
Bohrwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Meßund Auswerteteil der Steuervorrichtung (15) über ein Verbindungskabel (16) an ein obertägiges Steuerleitgerät ange schlossen ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungskabel (16) zumindest über einen Teil seiner Länge im Innern des Bohrrohrstranges (2) sowie im Ringraum der mit dem Bohrwerkzeug erbohrten Bohrung (1) verläuft.