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Tiefbohrvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrungen in unterirdischen Formationen. Die Vorrichtung ist mit Teilen versehen, die sich relativ zueinander drehen und durch mindestens ein Lager miteinander verbunden sind ; ferner weist die Vorrichtung Zu- und Abführungseinrichtungen für Bohrschlamm auf.
Die mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung zu durchbohrenden Formationen bestehen gewöhnlich aus Fels bzw. Gestein. Das Gestein wird mit Hilfe von z. B. mit Zähnen versehenen Schneidwerkzeugen der Bohrvorrichtung zertrümmert ; die Schneidwerkzeuge bestehen aus einem verschleissbeständigen Material und werden auf dem Gestein unter hoher Gewichtsbelastung gedreht. Um die Schneidwerkzeuge zu kühlen und zu reinigen, wird ihnen über eine Düse Bohrschlamm zugeführt. Damit das gebohrte Loch nicht durch die im Gestein herrschenden Drücke zum Einsturz gebracht wird, setzt man dem Bohrschlamm Ton und/ oder andere Beschwerungsstoffe zu. Dieses dem Bohrschlamm zugesetzte Beschwerungsmaterial bildet ausserdem beim Durchbohren porösen Gesteins an der Innenwand des Bohrloches eine Filterschicht, durch die verhindert wird, dass Wasser aus dem Bohrschlamm verloren geht.
Gegebenenfalls kann man dem Bohrschlamm Stoffe beimengen, die eine besonders hohe Abdichtungswirkung ausüben.
Ein Nachteil dieser dem Bohrschlamm beigemischten Stoffe besteht darin, dass sie in die Lagerräume zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen eindringen und zu einer schnellen Abnutzung der in diesen Räumen untergebrachten Lager Anlass geben.
Bekanntlich wird der dem unteren Ende des Bohrloches über das Bohrrohr und das Bohrwerkzeug zugeführte Bohrschlamm über den ringförmigen Raum zwischen dem Bohrrohr und der Bohrlochwandung zurückgeleitet, wo das zertrümmerte Gesteinmaterial nach oben geführt wird. An der Erdoberfläche wird dieses Gesteinmaterial von dem Bohrschlamm getrennt, worauf der so gereinigte Bohrschlamm erneut verwendet werden kann.
Bei dieser Reinigung des Bohrschlamms bleiben jedoch feinste Teilchen des zertrümmerten Gesteins in dem Schlamm zurück, und diese Teilchen erhöhen die Verschleisswirkung des in die Lagerräume eindringenden Bohrschlamms.
Infolge dieser starken Abnutzung werden die Lager der Bohrvorrichtung in manchen Fällen schneller unbrauchbar als die übrigen Teile der Vorrichtung. Die Bohrvorrichtung muss dann bereits in einem Zeitpunkt ausgewechselt werden, in dem sie noch nicht vollständig abgenutzt ist, und dies ist sehr unerwünscht, weil hiedurch die Bohrkosten je laufenden Meter des durchbohrten Gesteins wesentlich erhöht werden.
Bohrvorrichtungen mit sich relativ zueinander drehenden Teilen umfassen z. B. Bohrwerkzeuge zum Ausbohren des vollen Bohrungsquerschnitts oder Kernbohrer mit zylindrischen oder kegelförmigen Schneid- werkzeugen, die auf feststehenden Zapfen drehbar gelagert sind. Räumbohrer können auch mit umlaufenden Räumwerkzeugen versehen sein, die sich ebenfalls auf festen Lagerzapfen drehen.
Lager sind auch zwischen den sich drehenden Teilen von Bohrvorrichtungen angeordnet, bei denen der Antriebsmotor unmittelbar oberhalb der Bohrwerkzeuge eingebaut ist.
In allen genannten Fällen kommen diese Lager, die als Kugel-, Rollen- oder Gleitlager ausgebildet sind, während der Bohrarbeiten in Berührung mit dem Bohrschlamm, und infolgedessen nutzen sich die Lager selbst sowie die Lagerflächen der umlaufenden Teile schnell ab.
Ein Ziel der Erfindung besteht nun darin, diese Schwierigkeit auszuschalten ; zu diesem Zwecke wird
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gemäss der Erfindung in der Bohrvorrichtung zwischen der Zuführungseinrichtung für den Bohrschlamm und der Abführungseinrichtung ein Filter in einer solchen Weise angeordnet, dass der die Bohrvorrichtung während des Betriebes durchströmende Bohrschlamm an einer Seite des Filters entlangfliesst, während der der andern Seite des Filters benachbarte Raum mit dem Lagerraum zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen in Verbindung steht.
Dieses Filter ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und der Innenraum des Filters stellt eine Ver- bindung zwischen der Zuführungsleitung und der Abgabeöffnung für den Bohrschlamm her, während der die Aussenseite des Filters umgebende Raum mit dem erwähnten Lagerraum in Verbindung steht.
Die eigentliche Bohrvorrichtung kann aus einem Bohrwerkzeug bestehen, das Fortsätze aufweist, die Zapfen tragen, auf denen drehbare Schneidwerkzeuge gelagert sind, und ausserdem kann die Bohrvorrichtung mit mindestens einer Düse versehen sein, aus der während des Betriebes Bohrschlamm austritt. Gemäss der vorstehenden Beschreibung ist das Bohrwerkzeug ausserdem mit einem Filter ausgerüstet, wobei die mit dem vorbeiströmenden Bohrschlamm nicht in Berührung kommende Seite des Filters mit dem Raum zwischen den Lagerzapfen und den drehbaren Schneidwerkzeugen über ein System von Kanälen in Verbindung steht, das sich durch den Körper des Bohrwerkzeuges, die Fortsätze desselben und die Lagerzapfen erstreckt.
Bei allen diesen Konstruktionen wird ein Teil des durch das Bohrwerkzeug strömenden Bohlschlammes durch das Filter geleitet, von den mitgeführten Teilchen befreit und nach vollständiger Reinigung über ein System von Kanälen den Lagerräumen und Spalten zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen zugeführt. Die Lagerräume werden ständig von diesem gereinigten Bohrschlamm durchspült, so dass die im Bohrschlamm ursprünglich enthaltenen Teilchen nicht in die Lagerräume eindringen können.
Da der die Bohrvorrichtung durchströmende Bohrschlamm an einer Seite des Filters entlangfliesst, wird die Oberfläche des Filters ständig gereinigt, so dass sich kein dicker Filterkuchen bilden kann, der den Durchsatz des Filters zu stark herabsetzen würde.
Der Filterkörper kann aus einem durchlässigen Material bestehen z. B. aus porösem Metall, porösem keramischem Material oder verfestigtem Sand. Das zuletzt genannte Material wird in der Weise hergestellt, dass man Sandkörner mit Hilfe eines Harzes so miteinander verkittet, dass eine gewisse Durchlässigkeit erhalten bleibt. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Verwendung dieser Filtermaterialien, vielmehr können Filtermaterialien jeder geeigneten Art z. B. ein Nylongewebe, verwendet werden, wobei es lediglich erforderlich ist, dass das Filtermaterial aus dem Bohrschlamm Teilchen zu- rückhält, deren Grösse nur wenige tausendstel Millimeter beträgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbei- spiel näher erläutert. Die Zeichnung veranschaulichteinenRollenbohterimLängsschnitt.
Das dargestellte Bohrwerkzeug besteht aus zwei Hauptteilen 1 und 2 ; der bauteil 1 bildet das eigentliche Bohrwerkzeug, das mit Lagerzapfen 3, Lagern 4, drehbaren Schneidwerkzeugen 5 und mindestens einer Düse 6 ausgerüstet ist ; der Bauteil2 bildet ein Verlängerungsstück für den Schaft 7 des Bauteils 1 und ist bei 8 auf den Bauteil l aufgeschraubt. Der Bauteil 2 umfasst zwei Abschnitte 2'und 2", die miteinander verschraubt sind ; der obere Abschnitt 2'ist bei 9 mit einem Aussengewinde versehen, so dass er mit dem unteren Ende eines nicht dargestellten Bohrstranges verbunden werden kann. Gegebenenfalls kann man einige Schwerstangen zwischen dem nicht gezeigten Bohrrohr und dem Gewinde 9anordnen, wenn der auf das Bohrwerkzeug aufgebrachte Druck erhöht werden soll.
Der Hohlraum 10 im Körper des Bohrwerkzeuges weist eine Zuführungsöffnung 11 auf, die unmittelbar in Verbindung mit dem Inneren des nicht dargestellten Bohrstranges steht, der sich aus Bohrrohren zusammensetzt und in den erforderlichenfalls Schwerstangen eingeschaltet sein können. Das untere Ende des Hohlraums 10 steht mit der Bohrung über eine Düse oder mehrere Düsen 6 in Verbindung. Der zylindrische Filterkörper 12, dessen Aussenfläche von einem Ringraum 13 umgeben ist, ist iI1 denAbschnitt 2'einge- baut. Eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 10 und dem Ringraum 13 besteht nur über den Filterkörper 12, weil die Verbindungsstellen zwischen dem Filterkörper und den Teilen 1 und 2 des Werkzeugkörpers, wie bei 14 angedeutet ist, auf geeignete Weise abgedichtet sind.
An den Ringraum 13 schliesst'sich ein Kanalsystem 15 an, das zu dem Lagerraum 16 zwischen den Lagerzapfen 3 und den drehbaren Schneidwerkzeugen 5 führt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lager 4 als Kugel- und Rollenlager ausgebildet, doch beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Ausbildung. Auch Gleit- oder Buchsenlager können gemäss der Erfindung gegen vorzeitige Abnutzung geschützt werden.
Nachstehend wird die Arbeitsweise des erfindungsgemässen Bohrwerkzeuges beschrieben. Vor dem Absenken in das Bohrloch wird das Bohrwerkzeug mit Hilfe des Gewindes 9 am unteren Ende des nicht darge-
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stellten Bohrstranges befestigt.
Durch Aufschrauben weiterer Bohrrohre wird ein Bohrstrang oder-gestänge zusammengestellt, mittels dessen das Bohrwerkzeug bis zum Boden des Bohrloches abgesenkt wird. Dann wird der Bohrstrang gedreht, und infolge des Druckes, der durch einen Teil des Bohrstranggewichtes auf das Bohrwerkzeug aufgebracht wird, zertrümmern die Schneiden der rollenahnlichen Werkzeuge das Gestein am Boden des Bohrloches. Gleichzeitig wird dem Inneren des Bohrstranges Bohrschlamm zugeführt, der über die Öffnung 11 in den Hohlraum 10 eintritt und dann durch den Filterkörper 12hindurch zu der Düse 6 strömt, durch die der Bohrschlamm mit grosser Kraft auf die sich drehenden Schneidwerkzeuge 5 und/oder den Boden des Bohrlochs geleitet wird.
Ein Teildesdurch den Filterkörper strömenden Bohrschlamms wird jedoch filtriert und das Filtrat wird über den Ringraum 13 und das Kanalsystem 15 zu den Lagerräumen 16 geleitet. Da das Filtrat die Lager- räume 16 durchströmt und über die Spalte zwischen den Lagerzapfen 3 und den Schneidwerkzeugen 5 entweicht, kann kein feste Teilchen enthaltender Schlamm von der Aussenseite des Bohrwerkzeuges aus in die Lagerräume 16 eindringen. Auf diese Weise wird eine erhebliche Verminderung des Verschleisses der Lager 4 erreicht.
Die Menge des über die Lagerräume abgezogenen Filtrats richtet sich nach der insgesamt zugeführten Menge an Bohrschlamm und hängt ausserdem von der Beziehung zwischen den Widerständen ab, denen die Strömung in den Düsen 6 einerseits sowie im Filter 12, im Ringraum 13, im Kanalsystem 15 und in den Lagerräumen 16 anderseits ausgesetzt ist. Wenn ein Filter mit einem hohen Durchflusswiderstand verwendet wird, darf der Durchflusswiderstand der Düsen 6 nicht zu klein sein, weil andernfalls praktisch die gesamte Menge des Bohrschlamms die Düsen 6 passieren würde und die Menge des das Filter passierenden Filtrats, die über den Ringraum 13und das Kanalsystem 15zu den Lagerräumen 16 gelangt, zu klein wäre, um das Eindringen von feste Teilchen mitführendem Bohrschlamm in die Lagerräume 16 zu verhindern.
Das Entstehen eines Filterkuchens an der Wand des Filterkörpers wird durch die starke Erosionswirkung des Bohrschlamms verhindert, der von der Zuführungsöffnung 11 aus zu den Düsen 6 strömt, so dass das Filter ständig funktionsfähig bleibt.
Gegebenenfalls kann der Körper des Bohrwerkzeuges aus einem einzigen Bauteil bestehen ; in diesem Falle ist das Filter 12 vollständig in dem langgestreckten Schaft des Werkzeugkörpers untergebracht. Es wird jedoch vorgezogen, den Werkzeugkörper gemäss der Zeichnung in die beiden Abschnitte 1 und 2 zu unterteilen, weil man dann, wenn sich die Schneidwerkzeuge abgenutzt haben, den Abschnitt 2 leicht vom Abschnitt 1 trennen kann, um den Abschnitt 2 in Verbindung mit einem neuen Schneidwerkzeug zu verwenden.
Ferner ist es möglich, das Filter 12 in einer Schwerstange oder einem Bohrrohr unterzubringen, die bzw. das dann in der üblichen Weise mit dem Bohrwerkzeug verbunden wird. In diesem Falle wird dann in der Kupplung eine Ringnut vorgesehen, um eine Verbindung zwischen den beiden Teilen des Kanalsystems 15 herzustellen.
Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich nicht auf den Schutz der Lager von Bohrwerkzeugen.
Vielmehr können Lager beliebiger Art, die zwischen sich relativ zueinander drehenden Teilen von Bohrvorrichtungen angeordnet sind, in der beschriebenen Weise gegen übermässige Abnutzung geschützt werden.
Gegebenenfalls kann sich das zylindrische Filter 12 aus mehreren zylindrischen Teilen zusammensetzen, wobei zwischen den Berührungsflächen dieser Teile geeignete Dichtungsmittel vorgesehen sind.
Ferner können in dem Ringraum 13 Anschläge vorgesehen sein, um das Filter 12 bzw. dessen Teile zu zentrieren und abzustützen.
Das Filter besteht vorzugsweise aus einem durchlässigen Material von hoher Verschleissfestigkeit. Hiebei handelt es sich vorzugsweise um poröses Metall, durchlässiges keramisches Material oder verfestigten Sand. Das zuletzt genannte Material kann dadurch erzeugt werden, dass man Sandkörner mit Hilfe eines Harzes derart miteinander verkittet, dass die gewünschte Durchlässigkeit erhalten bleibt.
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