DE10149018B4

DE10149018B4 - Verfahren zum Richtungsbohren

Info

Publication number: DE10149018B4
Application number: DE10149018A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dipl.-Ing. Koch
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: DE10149018A1; GB2380505A; GB2380505B; GB0222832D0; US20030111265A1; US6725948B2

Abstract

Verfahren zum Richtungsbohren mit einem Bohrgerät,
das einen hydrostatischen Bohrlochmotor am Ende eines Gestänges, einen Dreh- und einen Vorschubantrieb für das Gestänge und eine Exzentrizität zum Richtungsbohren aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Richtungsbohren die Exzentrizität auf einen Anstellwinkel γ = α – βeingestellt wird, wobei
α = der Bahnwinkel der gewünschten Bohrrichtung,
β = der Torsionsausgleichswinkel für die durch das Drehmoment des Bohrlochmotors in Richtung auf die gewünschte Bohrrichtung auf das Gestänge ausgeübte Torsion,
und
γ = der einzustellende Anstellwinkel des Gestänges ist,
und
die durch den Vorschubantrieb auf das Gestänge ausgeübte Vorschubkraft in Abhängigkeit von dem Druck des Antriebsfluids für den Bohrlochmotor so geregelt wird, dass der Druck des Antriebsfluids möglichst Nahe an dem zu einem Motorstillstand führenden Druck in einem vorgegebenen Toleranzbereich verbleibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Richtungsbohren mit einem Bohrgerät, dessen Gestänge mit einem hydrostatischen Bohrlochmotor versehen ist und eine Exzentrizität aufweist.

Derartige Bohrlochmotoren sind auch unter der Bezeichnung Mud-Motor bekannt und bestehen aus einem Gehäuse mit einem Außendurchmesser, der in etwa dem Gestängedurchmesser entspricht. Die US-Patentschrift 6 173 794 beschreibt einen solchen Bohrlochmotor. Der Rotor ist mit der Antriebswelle eines Werkzeugs verbunden und kann zum Richtungsbohren eine Exzentrizität, beispielsweise einen oder mehrere Knicke besitzen.

Bohrlochmotoren, beispielsweise Wasser- oder Mud-Motoren arbeiten nach dem Prinzip verdrängender Schraubenmotoren und werden mit Hilfe einer über das Bohrgestänge zugeführten Flüssigkeit, beispielsweise einer Wasser-Betonit-Suspension (Antriebsfluid) angetrieben.

Ist der Bohrlochmotor (MUD-Motor) oder das Gestänge mit einer Exzentrizität versehen, muß das Gestänge beim Geradeaus-Bohren rotieren, um die Exzentrizität, beispielsweise ein abgeknicktes Motorgehäuse, zu neutralisieren. Beim Kurvenbohren wird dagegen die Gestängerotation unterbrochen, die Exzentrizität in die für die vorgegebene Kurvenbahn maßgebende Winkellage (Bahnwinkel) gebracht und das nicht rotierende Gestänge mit dem vom Bohrlochmotor angetriebenen Werkzeug von dem Vorschubantrieb ins Erdreich oder Gestein gedrückt. Dabei ergibt sich das Problem, daß das rotierende Abbauwerkzeug ein Drehmoment auf das Gestänge ausübt, das eine Gestängetorsion bewirkt. Diese Gestängetorsion führt dann zu einer mehr oder minder großen Abweichung von der am Gestängeantrieb eingestellten Winkellage. Um diese Abweichung zu korrigieren ist zunächst eine Messung erforderlich, um die tatsächliche Position des Werkzeugs bzw. der Exzentrizität zu bestimmen und die Winkellage auf einen korrigierten Wert einzustellen. Das erfordert ein Stillsetzen des Bohlochrmotors, um das Meßergebnis verfälschende Vibrationen zu vermeiden, und viel Geschick des Bedienungspersonals. Während des Stillsetzens gibt es zudem keine Torsion. Der Maschinenbediener stellt die Abweichung erst nach dem Zurücklegen einer bestimmten Bohrstrecke fest, und muß dann die Bohrrichtung bzw. den Bohrwinkel korrigieren. Dies ist zeitaufwendig und führt zu einem "geschwungenen" Bohrungsverlauf, der beim Einziehen eines Produktrohres zu einer erhöhten Mantelreibung führt.

Da das Werkzeug lediglich die Abbauarbeit leistet, ist das Gestänge mit einem Vorschubantrieb verbunden, der das Gestänge mit einer bestimmten Vorschubkraft vorwärts bewegt. Diese Vorschubkraft wird üblicherweise von Hand eingestellt, um unterschiedlichen Bodenverhältnissen Rechnung zu tragen. Bei zu geringer Vorschubkraft, beispielsweise in weichen Böden, ist die Vorschubgeschwindigkeit zu gering und das Bohren unwirtschaftlich. Bei zu hoher Vorschubkraft, beispielsweise in felsigem Untergrund, kann es hingegen zum Stillstand des Bohrlochmotors im Erdreich oder im Gestein kommen. Das weiterhin zugeführte Antriebsfluid tritt dann mit hoher Geschwindigkeit zwischen Rotor und Stator in die Umgebung des Bohrkopfs aus und führt – insbesondere bei Verwendung einer Flüssigkeits/Feststoff-Suspension als Antriebsfluid – zu einem starken Verschleiß am Stator- und am Rotorgewinde.

Ist der Bohrlochmotor oder das Gestänge mit einer Exzentrizität zum Richtungsbohren versehen, läßt sich Richtungsgenauigkeit erfindungsgemäß dadurch verbessern, daß die Exzentrizität nicht auf die gewünschte Richtung eingestellt wird, sondern auf einen Anstellwinkel γ, der die Gestängetorsion ausgleicht.

Wenn α der für die gewünschte Bohrrichtung bzw. Kurvenbahn erforderliche Bahnwinkel ist, auf den die Exzentrizität normalerweise bei ruhendem Gestänge eingestellt wird, dann ergibt sich der Anstellwinkel nach folgender Gleichung: γ = α – β.

Dabei entspricht β dem sich beim Bohren zwangsläufig ergebenden Torsionsausgleichswinkel. Dieser errechnet sich nach der folgenden Formel:

in der

T: = Drehmoment des Bohrlochmotors anhand der Motorkennlinie in Abhängigkeit vom Druck des Antriebsfluids (Bentonit-Suspension)
I: = Bohrstranglänge
I_p: = Polares Flächenmoment 2. Grades
G: = Schubmodul Gestängewerkstoff
K_l: = Korrekturfaktor für wechselnde Rohrquerschnitte im Verbindungsbereich ist.

Mit Hilfe dieser Formel ist es möglich, trotz der sich fortlaufend ändernden Länge des Bohrgestänges (Zahl der Gestängeabschnitte) die Gestängetorsion auszugleichen, so daß die den tatsächlichen Weg des Werkzeugs durch das Erdreich bzw. einen felsigen Untergrund bestimmende Exzentrizität genau der planerisch vorgegebenen Trasse folgt. Kontrollmessungen und ein darauf basierendes ständiges Nachstellen des beim Kurvenbohren nicht rotierenden Gestänges sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich; es ergeben sich weniger Fehlbohrungen auch bei ungeübtem Bedienungspersonal und eine höhere Bohrgeschwindigkeit, weil der Zeitaufwand für die Kontrollmessungen und das Nachstellen des Gestänges zur Korrektur der Bohrrichtung infolge der nicht vermeidbaren Torsion entfällt.

Um einen unerwünschten Stillstand des Bohrlochmotors zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, die Vorschubkraft des Gestänges in Abhängigkeit von dem Druck des Antriebsfluids, beispielsweise einer Bentonit/Wasser-Suspension, für den Bohrlochmotor zu regeln. Dies geschieht in der Weise, daß der Flüssigkeitsdruck – möglichst nahe an der zu einem Motorstillstand führenden Druck – in einem vorgegebenen Toleranzbereich verbleibt oder auch im wesentlichen konstant gehalten wird. Aus der Kennlinie des Bohrlochmotors ergibt sich, bei welchem Fluiddruck es zu einem Stillstand des Motors kommt. Unter Berücksichtigung der volumenstromabhängigen Druckverluste im Gestänge ist es erfindungsgemäß möglich, denjenigen Druck an einer Stelle außerhalb des Erdreichs, beispielsweise im Bereich des Antriebs zu bestimmen, bei dem die Gefahr eines Motorstillstands besteht. Die Vorschubkraft des Gestänges wird erfindungsgemäß so geregelt, daß der Fluiddruck am Bohrlochmotor diesen Druck nicht erreicht, aber auch nicht allzu sehr davon abweicht, um mit möglichst großem Vorschub, d. h. optimal arbeiten zu können.

Vorzugsweise wird die Vorschubkraft des Gestänges in Abhängigkeit von dem Druck des Antriebsfluids für den Bohrlochmotor nach der Formel pM = pP – ΔpG·n – ΔpM,in der

p_M: = Druck der Bentonit/Wasser-Suspension am Bohrlochmotor
p_P: = Druck der Bentonit/Wasser-Suspension an der Hochdruckpumpe
Δp_G: = Druckabfall pro Gestängeabschnitt
n: = Zahl der Gestängeabschnitte
Δp_M: = Druckabfall durch Maschine etc.

ist, so geregelt, daß das Drehmoment des Bohrlochmotors knapp, beispielsweise um 2 bis 5% unterhalb des Blockiermoments bleibt. Unter Blockiermoment ist dabei jenes am Bohrlochmotor bzw. Werkzeug wirksame Moment zu verstehen, bei dem es zu einem Stillstand des Bohrlochmotors kommt.

Die erfindungsgemäße Kombination des Torsionsausgleichs mit der Vorschubregel gewährleistet auch bei gerichtetem Bohren einen trassengerechten Verlauf der Bohrung bei optimal angetriebenem Bohrwerkzeug.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Bohrgerät in schematischer Darstellung,
2 ein Diagramm mit der Abhängigkeit des Drehmoments des Bohrlochmotors in Abhängigkeit vom Druck des Antriebsfluids am Bohrlochmotor,
3 ein Druck-Zeit-Diagramm für den Bohrlochmotor und
4 eine grafische Darstellung der einzelnen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren maßgebenden Bohrwinkel.
Das erfindungsgemäße Bohrgerät besteht aus einem Fahrgestell 1, auf dem mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 2 verschwenkbar eine Lafette 3 gelagert ist. Die Lafette 3 ist mit einem Schlitten 4 versehen, auf dem ein Druckanzeigegerät 5 bzw. Meßgerät für die Regelung sowie ein Dreh- und Vorschubantrieb 6 für ein Gestänge 7 aus einzelnen Rohrabschnitten angeordnet ist. Das Gestänge ist vorne mit einem Bohrlochmotor 8 (MUD-Motor) als Antrieb für ein Abbauwerkzeug 9 versehen. Das Gehäuse des Bohlochrmotors 8 besitzt eine Knickstelle 10, die bei nicht rotierendem Gestänge 7 ein Kurvenbohren erlaubt. Bei rotierendem Gestänge wird die Knickstelle 10 hingegen neutralisiert und findet demgemäß ein Geradeausbohren statt.
Das Diagramm der 2 zeigt die Motorkennlinie, d. h. die Abhängigkeit des am Bohrlochmotor bzw. Werkzeug wirksamen Drehmoments T vom Druck p_M des Antriebsfluids (Bentonit/Wasser-Suspension) am Bohrlochmotor.
Bei dem Diagramm der 3 sind auf der Ordinate der Fluiddruck p_M am Bohrlochmotor und auf der Abszisse die Zeit t mit mehreren Bohrphasen a bis f dargestellt. Der optimale Arbeitsbereich des Bohrlochmotors 8 entspricht dem Fluiddruck P₂. In der anfänglichen Bohrphase a befindet sich der Fluiddruck noch unterhalb des unteren Grenzwerts P₁. Erst mit einer Zunahme des Bodenwiderstandes übersteigt der Fluiddruck in der Bohrphase b den unteren Grenzwert P₁. Mit zunehmendem Bodenwiderstand erreicht der Fluiddruck den optimalen Druck bzw. den oberen Grenzwert P₂. Ab Bohrphase b findet das Bohren während der folgenden Bohrphasen c, d, e, f innerhalb des Druckbereichs P₁ und P₂ statt. Dies geschieht infolge der erfindungsgemäßen Vorschubregelung in der Bohrphase c zunächst in Richtung einer geringeren Vorschubkraft, so daß die Druckkurve am Beginn der Bohrphase d wieder den unteren Grenzwert P₁ erreicht, danach aber immer zwischen den Grenzwerten P₁ und P₂ verläuft und sich mit der Zeit immer mehr dem optimalen Druck P₂ annähert (Bohrphase f).
Aus dem Diagramm der 4 ist, ausgehend von einer 12 Uhr-Position als Null-Lage der gewünschte Bahnwinkel (Trassenwinkel) α und der Anstellwinkel γ sowie der Torsionsausgleichswinkel β ersichtlich.

Claims

Verfahren zum Richtungsbohren mit einem Bohrgerät, das einen hydrostatischen Bohrlochmotor am Ende eines Gestänges, einen Dreh- und einen Vorschubantrieb für das Gestänge und eine Exzentrizität zum Richtungsbohren aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Richtungsbohren die Exzentrizität auf einen Anstellwinkel γ = α – βeingestellt wird, wobei α = der Bahnwinkel der gewünschten Bohrrichtung, β = der Torsionsausgleichswinkel für die durch das Drehmoment des Bohrlochmotors in Richtung auf die gewünschte Bohrrichtung auf das Gestänge ausgeübte Torsion, und γ = der einzustellende Anstellwinkel des Gestänges ist, und die durch den Vorschubantrieb auf das Gestänge ausgeübte Vorschubkraft in Abhängigkeit von dem Druck des Antriebsfluids für den Bohrlochmotor so geregelt wird, dass der Druck des Antriebsfluids möglichst Nahe an dem zu einem Motorstillstand führenden Druck in einem vorgegebenen Toleranzbereich verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsausgleichswinkel nach der folgenden Formel ermittelt wird:
in der β = Torsionsausgleichswinkel T = Drehmoment des Bohrlochmotors anhand der Motorkennlinie in Abhängigkeit vom Druck des Antriebsfluids (Bentonit/Wasser-Suspension) l = Bohrstranglänge I_p = Polares Flächenmoment 2. Grades G = Schubmodul Gestängewerkstoff K_l = Korrekturfaktor für wechselnde Rohrquerschnitte im Verbindungsbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluiddruck am Bohrlochmotor konstant gehalten wird.