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Bohrgestänge einsetzbaren Gestängeteil und wenigstens einem längs einer Schraublinie um den Gestängeteil verlaufenden antreibbaren Förderflügel zur Weghebung der Spülflüssigkeit von der Bohrsohle.
Bei der Durchführung von öl-oder Gasbohrungen wird eine als Bohrschlamm bekannte schwere Flüssigkeit durch das Bohrgestänge hinuntergeleitet, aus der Bohrkrone am unteren Ende des Gestänges heraus und durch den Ringraum zwischen dem Gestänge und dem Bohrloch wieder nach oben. Unter anderem unterstützt der Schlamm den Transport von erbohrtem Material aus der Bohrung nach oben zur Erdoberfläche und wirkt auch gegen die Formationsdrücke innerhalb der Bohrung.
Wenngleich der Bohrschlamm für die Durchführung der Bohrung notwendig ist, reduziert er die Geschwindigkeit, mit der gebohrt werden kann, was natürlich die Kosten der Bohrung sehr erhöht. Der hydrostatische Druck durch den Bohrschlamm erzeugt daher einen Differenzdruck längs dem Gestein oder einer andern Formation am unteren Ende des Bohrloches, wodurch sich das Material durch die Bohrkrone schwer abtragen lässt.
Wie z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2, 352, 412 (Sandstone) und der USA-Patentschrift Nr. 2, 794, 617 (Yancey) angeführt, wurde vorgeschlagen, die Bohrgeschwindigkeit mittels einer Vorrichtung zu erhöhen, die in das Bohrgestänge eingeführt wird und Flügel hat, die mit dem Gestänge rotieren und in solcher Weise spiralig ausgebildet sind, dass sie als Propeller bzw. Schöpfelemente für den Schlamm innerhalb des ringförmigen Raumes arbeiten. Wird daher das Gestänge mit ausreichender Drehzahl mit Bezug auf die Umwälzgeschwindigkeit des Schlammes innerhalb des ringförmigen Raumes in Drehung versetzt, so verringern die Flügel den hydrostatischen Druck des Schlammes am unteren Ende des Bohrloches. Die abwärtsgerichtete Reaktion des Schlammes auf die
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Um jedoch den Wirkungsgrad dieser Vorrichtungen zu vergrössern, wäre es nötig, die Drehzahl des Gestänges und damit das darauf ausgeübge Drehmoment in einem solchen Masse zu erhöhen, dass die Gefahr des Entzweireissens bestünde. Aus praktischen Gründen ist daher der Wirkungsgrad dieser Vorrichtung des Standes der Technik nicht voraussagbar und auf jeden Fall ziemlich gering.
Die Erfindung setzt sich die Schaffung einer Vorrichtung dieser Art zum Ziel, deren Wirkungsgrad höher ist und bei der insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der Flügel durch die Rotationsgeschwindigkeit des Gestänges nicht beschränkt ist.
Ein anderes Ziel besteht in der Schaffung einer solchen Vorrichtung, die keine am Bohrgrund befindliche
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Ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer solchen Vorrichtung, deren Betrieb keine oder nur eine geringe Erhöhung des Drehmomentbedarfes des Bohrgestänges mit sich bringt.
Diese und andere Erfindungsziele werden mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Förderflügel von einer den Gestängeteil drehbar umschliessenden und gegenüber diesem antreibbaren Büchse getragen ist. Der oder die Förderflügel können daher mit einer Geschwindigkeit in Drehung versetzt werden, die im wesentlichen unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Gestänges ist, wodurch es möglich wird, den hydrostatischen Druck am unteren Ende des Bohrloches ohne wesentliche Erhöhung des Drehmoments zu vermindern und daher die Bohrgeschwindigkeit im Vergleich zu jener mit Vorrichtungen des Standes der Technik dieser Art erreichten zu erhöhen.
Im bevorzugten Fall ist vorgesehen, dass die Büchse zu ihrem Antrieb mit dem umschlossenen Gestängeteil in an sich bekannter Weise eine Strömungsmaschine bildet, die von der durch das Bohrgestänge zur Bohrsohle
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hohe hydrostatische Druck dynamisch abgebaut und zum Antrieb der den Förderflügel tragenden Büchse ausgenutzt.
In diesem Zusammenhang ist weiters vorgesehen, dass die Büchse und der von dieser umschlossene Gestängeteil zur Bildung einer Turbine in an sich bekannter Weise ineinandergreifende Schaufelkränze aufweisen, wobei die Schaufeln des Gestängeteile im gleichen und die Schaufeln der Büchse im entgegengesetzten Schraubsinn des Förderflügels zur Bohrgestängeachse geneigt sind. Die Massnahme gewährleistet, dass die Büchse im gleichen Drehsinn wie das Bohrgestänge, und dabei mit umso höherer Geschwindigkeit angetrieben wird.
Schliesslich besteht eine zweckmässige Weiterbildung der Erfmdung darin, dass der Gestängeteil von zwei in Richtung der Bohrgestängeachse übereinanderliegenden Buchsen drehbar umschlossen ist, die in entgegengesetzten Drehrichtungen antreibbar sind und in entgegengesetztem Schraubsinn geneigte Förderflügel tragen. Durch diese Massnahme wird der von den Förderflügeln der ersten Büchse erzeugte Drall in der aufsteigenden Bohrflüssigkeit von den Flügeln der zweiten Büchse kompensiert und seine Energie zur Druckentlastung genutzt, indem sich die Büchsen im Gegensinne drehen. Die Reaktionen des Bohrschlammes auf die Propellerflügel der beiden Büchsen sind einander entgegengesetzt, so dass der erhöhte Drehmomentbedarf der einen Büchse zumindest teilweise durch den Drehmomentbedarf der andern ausgeglichen wird.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall gleiche Teile bezeichnen, ist Fig. l ein Längsschnitt eines Bohrgestänges mit einer erfindungsgemäss aufgebauten, in einem Bohrloch befmdlichen
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Innenteil und an der unteren äusseren Büchse der Vorrichtung.
In Fig. l der Zeichnungen ist das untere Ende des in seiner Gesamtheit mit--10--bezeichneten Bohrgestänges in einer Bohrung --11-- befindlich gezeichnet, die sich beträchtlich weit unter die Erdoberfläche erstrecken kann. Das Bohrgestänge besteht aus einer Anzahl von rohrförmigen Teilen einschliesslich einer Schwerstange--12--, die oberhalb der Vorrichtung, und einer Bohrkrone--13--, die unterhalb der Vorrichtung angeschlossen ist ; die Vorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen
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versteht sich für Fachleute der Bohrtechnik, dass man die Vorrichtung --14-- auch an einer Stelle weiter oben im Bohrgestänge einbauen kann.
In jedem Fall weist der Aussendurchmesser des Bohrgestänges zum Bohrloch --11-- einen Abstand auf, um einen Ringraum--A--zu bilden, durch welchen Bohrschlamm aufwärts zur Erdoberfläche strömen kann. Wie weiter unten beschrieben, kann der Schlamm durch die Vorrichtung hinuntergeleitet werden und aus der Krone heraus in den Ringraum strömen. Das Gestänge wird durch bekannte Vorrichtungen an der Erdoberfläche (nicht dargestellt) in Drehung versetzt.
Die Vorrichtung --14-- besitzt einen Gestängeteil der sich durchgehend zwischen einem Anschluss an seinem oberen Ende an die Schwerstange-12-und einem solchen an seinem unteren Ende an die Bohrkrone --13-- erstreckt, so dass das Drehmoment von der Schwerstange-12-zur Bohrkrone - -13-- übertragen wird. Das obere Ende hat eine Ausnehmung --16-- für Gewindeanschluss eines Ansatzes am unteren Ende der Schwerstange--12--und das untere Ende weist eine Ausnehmung --17-- für Gewindeanschluss eines Ansatzes am oberen Ende der Bohrkrone --13-- auf.
Der Gestängeteil --15-- besitzt einen oberen Abschnitt--15A--und einen unteren Abschnitt --15B- von vermindertem Aussendurchmesser ; diese Teile sind durch einen zentralen Abschnitt--15C-- getrennt, der im wesentlichen den gleichen Aussendurchmesser wie das obere und das untere Ende des
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--15-- aufweist.Gestängeteiles. Wie aus Fig. l hervorgeht, hat jede der Büchsen im wesentlichen die gleiche Länge wie der verjüngte Abschnitt, den sie umgibt, und ihr Aussendurchmesser ist im wesentlichen gleich jenem des oberen und des unteren Endes des Gestängeteiles-15--.
Natürlich können die Büchsen in Längsrichtung geteilt sein oder das obere und das untere Ende des Gestängeteiles --15-- lassen sich von den verjüngten Abschnitten desselben trennen, damit man die Büchsen über dem verjüngten Abschnitt montieren kann.
Das untere Ende der oberen Büchse --16A- sitzt drehbar auf einem Lager-17--, das am zentralen Abschnitt --15C-- ruht, das untere Ende der Büchse --16B- sitzt drehbar auf einem Lager-18--, das am oberen Ende der Unterseite des Teiles --15-- ruht. Wie weiter unten beschrieben wird, kann sich die Büchse --16A-- im Uhrzeigersinn und die Büchse --16B-- im Gegenuhrzeigersinn drehen, wenn das
Gestänge selbst im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt wird.
Wie aus Fig. l hervorgeht, ist ein Paar spiraliger Propellerflügel --28 und 29-rings um die obere Büchse - 16A-und ein Paar spiraliger Propellerflügel-30 und 31-rings um die untere Büchse --16B-- angeordnet. Diese Förderflügel auf jeder Büchse sind unter 1800 versetzt und jeder Flügel windet sich ungefähr um 3600 um die Büchse. Die Aussenränder der Flügel erstrecken sich von den Büchsen auswärts fast bis zum Bohrloch um den hydrostatischen Druck von praktisch der ganzen Schlammfüllung innerhalb des unteren Endes des Ringraumes zu beeinflussen.
Als andere Möglichkeit können sich die Flügel natürlich auswärts bis zu einer Auskleidung erstrecken, die knapp in der Bohrung sitzt, und der Ausdruck "Ringraum" bedeutet in diesem Zusammenhang entweder einen Ringraum zwischen den Büchsen und dem Bohrloch oder zwischen den Büchsen und der Auskleidung.
Die Flügel haben zwar die Tendenz, die Vorrichtung innerhalb des Bohrloches konzentrisch zu halten, doch werden auf der Vorrichtung vorzugsweise einer oder mehrere Zentrierer von der z. B. bei --32-- am oberen Ende des Gestängeteiles --15-- dargestellten Art montiert.
Wie weiter oben beschrieben und in Fig. l dargestellt, sind die Propellerflügel-28 und 29-in einer Richtung spiralig ausgebildet, die Propellerflügel-30 und 31-hingegen in entgegengesetzter Richtung.
Genauer gesagt, sind die Förderflügel-28 und 29-in einer solchen Richtung spiralig ausgebildet, dass der Schlamm bei Drehung der Büchse --16A-- im Uhrzeigersinn aufwärtsgedrückt wird ; die Flügel--30 und 31-sind so gewunden, dass der Bohrschlamm aufwärtsgedrückt wird, wenn die Büchse --16B-- im Gegenuhrzeigersinn in Drehung versetzt wird.
Ein am Innendurchmesser des oberen Endes der Büchse --16A-- sitzender Dichtring --19-- umgibt das obere Ende des Abschnittes-15A-und dichtet ihn ab, und ein Dichtring-20-, der am Innendurchmesser des unteren Endes der Büchse --16A-- sitzt, dichtet das untere Ende dieses Abschnittes ab, wodurch zwischen dem Abschnitt --15A- und der Büchse --16A-- ein Ringkanal --21-- entsteht.
In ähnlicher Weise dichten ein am Innendurchmesser des oberen Endes der Büchse --16B-- sitzender Dichtring
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--22-- und ein am Innendurchmesser des unteren Endes derselben sitzender Dichtring -23-- das obere und das untere Ende des Teilabschnittes-15B-und bilden einen Ringkanal --24-- zwischen dem Teil --15B-- und der Büchse-16B-.
Im oberen Ende des Gestangeteiles-15-ist ein Kanal--25--vorhanden, der eine glattwandige
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--21- herstellt.Verzweigungen hat, die zum unteren Ende des Ringkanals --21-- führen und der sich an seinem unteren Ende verzweigt und die Verbindung mit dem oberen Ende des Ringkanals --24-- herstellt. Ein weiterer Kanal --27-- im unteren Ende des Gestängeteiles --15-- besitzt an seinem oberen Ende Verzweigungen, die eine Verbindung mit dem unteren Ende des Ringkanals --24-- herstellen und eine glattwandige Fortsetzung der Bohrung durch die Bohrkrone --13-- bilden. Wie bereits erwähnt, bilden daher Kanäle durch die Vorrichtung - -14-- für Flüssigkeit eine Verbindung der Bohrungen durch das Bohrgestänge oberhalb und unterhalb der Vorrichtung.
In vertikalen Abständen längs des oberen Abschnittes-15A-des Teiles-15-ist eine Anzahl von Kränzen von Turbinenschaufeln --35-- ausgebildet, und eine Anzahl von Turbinenschaufelkränzen --36-ist in vertikalen Abständen rings um die Innenseite der Büchse --16A-- angeordnet Genauer gesagt, sind die
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bewirkt, dass sie sich bei Abwärtsströmung von Bohrschlamm im Kanal-21-im Uhrzeigersinn bewegen. Die Flügel --36-- auf der Büchse --16A- hingegen sind in der Gegenrichtung geneigt, so dass sie durch den Schlamm im entgegengesetzten. Drehsinn in Rotation geraten. Abwärtsströmung von Bohrschlamm im Ringkanal --21-- führt daher zu Rotation der Büchse --16A- relativ zum Gestangeteil--15-im Uhrzeigersinn.
In ähnlicher Weise sind Turbinenschaufeln --37-- in vertikale Abstände einhaltenden Kränzen rings um den unteren Teileabschnitt --15B-- angeordnet, und Turbinenschaufeln --38-- sind in vertikale Abstände einhaltenden Kränzen rings um die Innenseite der Büchse --16B- vorhanden, wobei sich die Schaufelkränze - 37 und 38--überlappen und vertikal abwechseln. Im Gegensatz zu den Schaufeln --35 und 36-- sind die
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--16B- bei AbwärtsströmungSchaufeln --37-- ist somit entgegengesetzt zu dem Winkel der Schaufeln--35--, und die Schaufeln --38-- sind entgegengesetzt zu den Schaufeln --36-- angeordnet.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung haben die Turbinen in den Ringkanälen--21 und 24-- gleiche Leistung, so dass sich jede der Büchsen --16A- im allgemeinen mit gleicher Drehzahl mit Bezug auf den Gestängeteil --15-- dreht und daher mit im wesentlichen dem gleichen Wirkungsgrad arbeitet. Die Drehzahl der oberen Büchse --16A- mit Bezug auf das Bohrloch wird jedoch grösser als die Drehzahl der unteren Büchse --16B- relativ zu diesem sein, so dass die Wirkung des Gegendrehmoments der unteren Büchse--16B-den zusätzlichen Drehmomentbedarf durch die Büchse --16A-- nicht vollständig ausgleicht.
Die untere Büchse --16B- vermindert jedoch zumindest den zusätzlichen Drehmomentbedarf, den die Büchse - andernfalls für das Bohrgestänge mit sich bringen würde. Ausserdem versteht es sich, dass man die Leistung der unteren Turbine so erhöhen könnte, dass eine vollständige Kompensation oder sogar Oberkompensation eintritt.
Gewisse Merkmale und Teilkombinationen sind für sich allein von Nutzen und können ohne Zusammenhang mit andern Merkmalen und Teilkombinationen der Erfindung angewandt werden. Dies liegt innerhalb des Geltungsbereiches der Ansprüche.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Druckentlastung der Bohrsohle eines flüssigkeitsgespülten Bohrloches, insbesondere einer Tiefbohrung, mit einem in ein die Bohrflüssigkeit zur Bohrsohle leitendes Bohrgestänge einsetzbaren
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