DE102016125916A1 - drilling - Google Patents
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Abstract
Bohrvorrichtung für Hartgestein mittels eines Fluids, aufweisend mindestens einen Bohrkopf mit Vorkammer und Mischkammer, an dem mindestens eine vorwärtsgerichtete Düse und mindestens eine rückwärtsgerichtete Düse vorhanden ist, wobei Fluid in der Mischkammer mit Abrasivstoffen versetzt wird und das Fluid mit den Abrasivstoffen aus der vorwärtsgerichteten Düse entweicht, wobei im Bereich der Vorkammer eine Teilung des Fluidstroms erfolgt, abrasivstofffreies Fluid aus den rückwärtsgerichteten Düsen austritt, eine Vermischung von Abrasivstoffen und abrasivstoffreiem Fluid in der Mischkammer erfolgt und das mit den Abrasivstoffen versetzte Fluid aus den vorwärtsgerichteten Düsen entweicht.Drilling device for hard rock by means of a fluid, comprising at least one drill head with antechamber and mixing chamber, on which at least one forward nozzle and at least one rearward nozzle is present, wherein fluid in the mixing chamber is mixed with abrasives and the fluid escapes with the abrasives from the forward nozzle in which a division of the fluid flow takes place in the region of the antechamber, abrasive-free fluid emerges from the backward nozzles, mixing of abrasives and abrasive-free fluid takes place in the mixing chamber and the fluid added with the abrasives escapes from the forward-directed nozzles.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung für Hartgestein mittels eines Fluids, aufweisend mindestens einen Bohrkopf mit Vorkammer und Mischkammer, mindestens eine vorwärtsgerichtete Düse und mindestens eine rückwärtsgerichtete Düse.The invention relates to a drilling device for hard rock by means of a fluid, comprising at least one drill head with antechamber and mixing chamber, at least one forward nozzle and at least one rearward nozzle.
Generell ist es bekannt, dass für wasserstrahlbasierte Bohrverfahren einer Spülflüssigkeit Abrasivstoffe beigemischt werden können, um die Bohrfortschrittsrate zu erhöhen. Dies kann auch beim Radial-Jet-Drilling-Bohrverfahren (RJD-Bohrverfahren) erfolgen, um das Verfahren zu verbessern. Bei der derzeitigen Verwendung von reinem Wasser als Schneid- und Spülflüssigkeit allein können extrem harte Gesteinsschichten nicht oder nur schwer durchbohrt werden. Durch die Zugabe von Abrasivstoffen in die Spülflüssigkeit können jedoch härtere Gesteine oder Gesteinsschichten durchdrungen werden. Allerdings kann diese Verfahrensweise im Bohrkopf zu einer Schädigung der inneren Geometrie des Bohrkopfes und der Wasserzuleitung zum Bohrkopf führen und die Vortriebsgeschwindigkeit verlangsamen.In general, it is known that abrasives can be mixed with a rinsing fluid for water jet-based drilling methods in order to increase the drilling rate of progress. This can also be done in radial jet drilling (RJD) drilling to improve the process. With the current use of pure water as the cutting and rinsing fluid alone, extremely hard rock layers can not or only with difficulty be drilled through. The addition of abrasives into the rinsing fluid, however, can penetrate harder rocks or rock layers. However, this procedure in the drill head can lead to damage to the inner geometry of the drill head and the water supply to the drill head and slow down the propulsion speed.
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Ferner ist eine externe Zuführung von Abrasivstoffen nahe des Bohrkopfs durch magnetisch induzierte Kraftfelder bekannt. Durch die lokal sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids und der Partikel, besitzen die Partikel einen sehr hohen Impuls, welcher zusätzlich zu den angreifenden Fluidkräften durch das Magnetfeld überwunden werden müssen, um es auf eine andere „Fluidbahn zu zwingen“. Zudem müssen die Magnetfelder die kleinen Partikel in extrem kleine Öffnungen im Bohrkopf lenken, was in der Praxis nicht ohne erheblichen Aufwand sicher garantiert werden kann. Zudem kann die durchbohrte Gesteinsschicht das wirkende Magnetfeld ebenso ungünstig beeinflussen wie Umgebungstemperaturen von bis zu 200 °C wie sie in Geothermie-Reservoiren vorliegen.Furthermore, an external supply of abrasives near the drill head by magnetically induced force fields is known. Due to the locally very high flow velocities of the fluid and the particles, the particles have a very high momentum, which in addition to the attacking fluid forces must be overcome by the magnetic field in order to force it to another "fluid path". In addition, the magnetic fields must direct the small particles into extremely small openings in the drill head, which can not be reliably guaranteed in practice without considerable effort. In addition, the pierced rock layer can affect the acting magnetic field as unfavorably as ambient temperatures of up to 200 ° C as they are present in geothermal reservoirs.
Problematisch an dem bekannten Stand der Technik ist, dass es bei Förderung einer Mischung aus Abrasivstoffen und Spülflüssigkeit zum Bohrkopf, zu erhöhtem Verschleiß in der Zuleitung und des Bohrkopfs kommen kann. So kann der Bohrkopf durch den Austritt von Abrasivstoffen an den gegebenenfalls vorhandenen seitlichen Düsen und bei den Zuleitungen, die nicht auf Kunststoffen basieren, der gesamte oder ein Teil der Bohrvorrichtung beschädigt werden.A problem with the known state of the art is that it can lead to increased wear in the supply line and the drill head when promoting a mixture of abrasives and rinsing liquid to the drill head. Thus, the drill head can be damaged by the escape of abrasives on the optional side nozzles and the leads that are not based on plastics, all or part of the drilling device.
Aufgabe der Erfindung ist es eine fluidbasierte Bohrvorrichtung für harte Gesteine und/oder Gesteinsschichten bereitzustellen, die einerseits einen Schutz des Bohrkopfes und der Bohrzuleitungen vor größerer Beschädigung und erhöhtem Verschleiß gewährleistet und/oder fluidbasierte Bohrungen mit Hilfe eines rotierenden, pulsierenden Fluidstrahls ermöglicht.The object of the invention is to provide a fluid-based drilling device for hard rocks and / or rock layers, which on the one hand ensures protection of the drill head and the Bohrzuleitungen from major damage and increased wear and / or allows fluid-based drilling using a rotating, pulsating fluid jet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
Die Erschließung von Geothermie-Reservoiren und Erdöl-/Erdgaslagerstätten, die in extrem harten Gesteinsschichten liegen, kann ohne den Einsatz hydraulischer oder chemischer Stimulation oftmals nicht erfolgen. Alternativ können durch das RJD-Bohrverfahren dünne, lange Bohrungen unter Tage aus einer Hauptbohrung heraus erzeugt werden. Um mit diesem Verfahren Bohrungen im Hartgestein zu ermöglichen, können Abrasivstoffe über eine abrasivstoffhaltige Zuleitung in eine Mischkammer im Bohrkopf geleitet werden, wobei eine Vermischung von Abrasivstoffen und einem abrasivstofffreien Fluid in der Mischkammer erfolgt und das mit den Abrasivstoffen versetzte Fluid aus einer vorwärtsgerichteten Düse entweicht und einen Bohrvorgang ermöglicht, wobei mindestens eine rückwärtsgerichtete Düse im Bereich des Bohrkopfs angeordnet ist, aus welcher Fluid ohne Abrasivstoffe austritt, um einen kontinuierlichen, gleitförmigen Bohrvortrieb zu gewährleisten.The development of geothermal reservoirs and oil / gas deposits located in extremely hard rock strata can often not be accomplished without the use of hydraulic or chemical stimulation. Alternatively, the RJD drilling method can produce thin, long holes underground from a main well. In order to allow drilling in the hard rock with this method, abrasives can be passed through an abrasive-containing supply line in a mixing chamber in the drill head, wherein a mixing of abrasive and an abrasive-free fluid in the mixing chamber and escapes with the abrasive fluid escaped from a forward nozzle and allows a drilling operation, wherein at least one rearward nozzle is arranged in the region of the drill head, from which fluid escapes without abrasives in order to ensure a continuous, slippery Bohrvortrieb.
Die Bohrvorrichtung und das Bohrverfahren können als umweltfreundliche Alternative zum „Fracken“ gesehen werden. Mittels RJD-Drilling ist es möglich, anstelle durch hydraulische Risserzeugung lange Dünne Bohrungen in das Hartgestein einzubringen, was die Erschließung von Lagerstätten ebenso möglich macht. Die Bohrvorrichtung und das Verfahren eignet sich zudem als eigenständiges Bohrverfahren für coiled tubing-Anwendungen (CT-Drilling) sowie um von einer bestehenden Bohrung, kleine Einzelbohrungen in die Formation einzubringen, auch unter Verwendung von CT-Drilling.The drilling device and the drilling process can be seen as an environmentally friendly alternative to "fraying". By means of RJD drilling, it is possible to introduce long, thin holes into the hard rock instead of hydraulic crack generation, which makes the development of deposits equally possible. The drilling device and the method is also suitable as an independent Drilling method for coiled tubing applications (CT drilling) as well as for bringing small single holes into the formation from an existing hole, also using CT drilling.
Durch die Zugabe von Abrasivstoffen in das Fluid in der Mischkammer zu der mindestens einen vorwärtsgerichteten Düse können extrem harte Gesteine und/oder Gesteinsschichten durchbohrt bzw. zerschnitten und dahinterliegende Lagerstätten erschlossen werden. Als Abrasivstoffe werden erfindungsgemäß disperse Festkörper wie Metallsalze beispielsweise Eisenoxide, Silikate wie beispielsweise Siliziumoxid oder andere ionische, amorphe oder metallische Festkörper eingesetzt, die extern der Bohrvorrichtung über eine Zuleitung zugeführt werden können. Die Zuführung der Abrasivstoffe in den erfindungsgemäßen Bohrkopf erfolgt dabei über eine abrasivstoffhaltige Zuleitung in eine Mischkammer. In dieser Mischkammer werden die Abrasivstoffe mit einem abrasivstofffreien Fluid versetzt. Das Fluid ohne Abrasivstoffe gelangt über eine abrasivstofffreie Zuleitung in den Bohrkopf in die Vorkammer und wird über Zuleitungen und/oder Fokussierdüsen in die Mischkammer geleitet und erst in einer Mischkammer mit Abrasivstoffen versetzt.By adding abrasives into the fluid in the mixing chamber to the at least one forward nozzle extremely hard rocks and / or rock strata can be pierced or cut and deposits behind it can be developed. As abrasives disperse solids such as metal salts such as iron oxides, silicates such as silica or other ionic, amorphous or metallic solids are used according to the invention, which can be externally supplied to the drilling device via a supply line. The supply of the abrasives in the drill head according to the invention takes place via an abrasive-containing feed line into a mixing chamber. In this mixing chamber, the abrasives are mixed with an abrasive-free fluid. The fluid without abrasives passes through an abrasive-free supply line into the drill head in the antechamber and is passed via leads and / or focusing nozzles in the mixing chamber and added only in a mixing chamber with abrasives.
In einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands ist auch vorgesehen, dass die Abrasivstoffe erst in der Bohrvorrichtung erzeugt werden, indem beispielsweise Metallstreifen oder andere strangförmige Festkörper über die abrasivstoffhaltige Zuleitung in den Bohrkopf geführt werden und dort in Abrasivstoffe zerkleinert werden bzw. dort die dispersen Abrasivstoffe in situ erzeugt werden, beispielsweise durch rotierende Abtragung der Metallstreifen oder der strangförmigen Festkörper im Bereich des Bohrkopfs.In a particular embodiment of the subject invention is also provided that the abrasives are generated only in the drilling device, for example, metal strips or other strand-like solids are passed over the abradant-containing feed line into the drill head and there are crushed into abrasives or there the disperse abrasives in situ be generated, for example, by rotating removal of the metal strip or the strand-like solid in the region of the drill head.
Die Vor- und Mischkammer sind erfindungsgemäß räumlich voneinander getrennt. Im Bereich des Bohrkopfs sind eine oder mehrere rückwärtsgerichtete Düsen angeordnet, mittels derer das Fluid ohne Abrasivstoffe in das Bohrloch eingetragen und/oder als Vortriebsmittel und/oder Gleitmittel für den Bohrer eingesetzt werden kann. Die Anzahl der rückwärtsgerichteten Düsen richtet sich dabei nach dem jeweiligen Aufbau des Bohrkopfs und dem Einsatzzweck der Bohrvorrichtung. Zudem können im Bereich des Bohrkopfs auch Spülausgänge angeordnet sein, um abgetragenes Bohrgestein aus dem Bohrloch hinaus zu spülen und einen gleichmäßigen Vortrieb der Bohrvorrichtung zu gewährleisten.The pre-mixing chamber and the invention are spatially separated from each other. In the region of the drill head, one or more rear-facing nozzles are arranged, by means of which the fluid can be introduced without abrasives into the borehole and / or used as a propulsion medium and / or lubricant for the drill. The number of backward nozzles depends on the particular structure of the drill head and the purpose of the drilling device. In addition, flushing outlets may also be arranged in the region of the drill head in order to flush removed drill rock out of the drill hole and to ensure uniform propulsion of the drilling device.
In der Mischkammer wird das Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit Abrasivstoffen versetzt, um als Zusatz zu dienen, mit dessen Hilfe über die vorwärtsgerichteten Düsen am Bohrkopf ein Materialabtrag des Untergrunds erfolgen und eine Bohrung vorgenommen werden kann. Das verwendete Fluid weist dabei in der Regel eine Viskosität von η = 1 bis 20 bei 20 °C auf, kann aber auch Mischungen oder Dispersionen von Wasser mit anderen Verbindungen wie beispielsweise Ethylenglycol enthalten. Die Wahl des Fluids richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzzweck und der Art des Bohrgesteins.In the mixing chamber, the fluid, for example, a liquid, in particular water, mixed with abrasives to serve as an additive, with the help of the forward-facing nozzles on the drill head, a material removal of the substrate done and a hole can be made. The fluid used usually has a viscosity of η = 1 to 20 at 20 ° C, but may also contain mixtures or dispersions of water with other compounds such as ethylene glycol. The choice of fluid depends on the particular application and the type of drill bit.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen einen Fluidstrom für die rückwärtsgerichteten Düsen und Spülabgänge ohne Abrasivstoffe und einen Fluidstrom mit Abrasivstoffen für die vorwärtsgerichteten Düsen aufzuteilen. Das Fluid umfasst für die rückwärtsgerichteten Düsen und die Spülgausänge in der Regel dieselbe Zusammensetzung wie für die vorwärtsgerichteten Düsen mit der Einschränkung, dass das Fluid für die vorwärtsgerichteten Düsen in der Mischkammer zusätzlich mit Abrasivstoffen versetzt wird. Es ist jedoch auch alternativ vorgesehen, dass die Abrasivstoffe mit einem Fluid der Mischkammer zugeführt werden, in welcher die Abrasivstoffe zumindest dispersiv verteilt sind. Es kann dann in der Mischkammer zu einer Durchmischung des abrasivstoffreien Fluids mit dem abrasasivstoffhaltigen Fluid erfolgen, wobei sich die Zusammensetzung der Fluide mit und ohne Abrasivstoffe unterscheiden kann.According to the invention, it is therefore intended to divide a fluid flow for the backward nozzles and flushing outlets without abrasives and a fluid stream with abrasives for the forward nozzles. The fluid typically has the same composition for the backward nozzles and the rinsing throat as for the forward nozzles, with the restriction that the fluid for the forward nozzles in the mixing chamber is additionally supplemented with abrasives. However, it is also alternatively provided that the abrasives are supplied with a fluid of the mixing chamber, in which the abrasives are at least dispersively distributed. It can then take place in the mixing chamber to a thorough mixing of the abrasive material-free fluid with the abrasivesubststoffhaltigen fluid, wherein the composition of the fluids may differ with and without abrasives.
Die Zuführung der Abrasivstoffe kann dabei durch externe oder interne Zuleitungen in den Bohrkopf ermöglicht werden. Dazu ist in einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands vorgesehen, dass die Zuleitungen koaxial zum Bohrkopf verlaufen, was den Vorteil hat, dass der Fluideintrag der Spülflüssigkeit und/oder der Abrasivstoffe gleichmäßig erfolgt und der Vortrieb durch die koaxiale Anordnung der Zuleitungen nicht behindert wird. Es ist in einer besonderen Ausgestaltung auch vorgesehen, dass die Zuleitungen beide innerhalb und/oder koaxial in der Bohrvorrichtung zum Bohrkopf verlaufen. Die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung kann mehrere rückwärtsgerichtete und mehrere vorwärtsgerichtete Düsen, sowie mehrere Spülausgänge aufweisen.The supply of abrasives can be made possible by external or internal leads into the drill head. For this purpose, it is provided in a particular embodiment of the subject invention that the leads extend coaxially to the drill head, which has the advantage that the fluid entry of the rinsing fluid and / or the abrasives is uniform and the propulsion is not hindered by the coaxial arrangement of the leads. It is also provided in a particular embodiment that the leads extend both within and / or coaxially in the drilling device to the drill head. The drilling device according to the invention can have a plurality of backward-pointing and several forward-directed nozzles, as well as a plurality of flushing outlets.
Vorteil der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung ist, dass eine Beschädigung des Bohrkopfs durch die Verwendung des abrasivstofffreien Fluids bei den rückwärtsgerichteten Düsen und/oder Spülausgängen vermieden wird. Das Bohrverfahren stellt somit eine Alternative zu herkömmlichen Bohrmethoden dar und es kann im Gegensatz zur hydraulischen Stimulation vorausbestimmt werden, welche Länge das Bohrloch aufweist und welchen Umfang die Kontaktfläche zwischen Bohrung und Lagerstätte einnimmt. Zudem dauert die Einbringung einer Bohrung nur wenige Minuten. Durch den Verzicht auf ein Aufbrechen des Untergrunds werden zudem keine Seismizitäten in das Gestein induziert. Dadurch, dass insbesondere Wasser oder andere nicht-toxische Verbindungen als Fluid verwendet werden können, wird der Untergrund im Gegensatz zur Verwendung anderer Fluide in anderen Bohrvorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik nicht kontaminiert.Advantage of the drilling device according to the invention is that damage to the drill head by the use of the abrasive-free fluid in the backward nozzles and / or scavenging outlets is avoided. The drilling procedure thus provides an alternative to conventional drilling methods and, in contrast to hydraulic stimulation, it is possible to predetermine the length of the borehole and the extent of the contact area between the borehole and the reservoir. In addition, the introduction of a bore takes only a few minutes. In addition, no seismicities are induced in the rock by dispensing with the breaking up of the subsoil. In particular, that water or other non-toxic compounds are used as fluid In contrast to the use of other fluids, the subsoil is not contaminated in other prior art drilling devices and methods.
Erfindungsgemäß kann ein effektiver Materialabtrag dadurch gewährleistet werden, dass im Bereich der Vorkammer am Bohrkopf auch rückwärtsgerichtete Düsen und /oder Spülausgänge angeordnet sind, um bei gleicher Leistung weiter oder tiefer bohren zu können. Dies stellt einen besonderen Vorteil der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung und des Verfahrens dar, da nach dem aktuellen Stand der Forschung die Pumpleistung einen limitierenden Faktor in der Länge der Bohrung darstellt. Aus den rückwärtsgerichteten Düsen und/oder Spülausgängen tritt ein abrasivstofffreier Fluidstrom aus, der die am Bohrkopf und den Zuleitungen angreifenden Reibungskräfte minimiert. Der Bohrkopf kann über das Fluid der rückwärtsgerichteten Düsen weiter in Richtung der Gesteine und/oder Gesteinsschichten geschoben werden als ohne deren Vorhandensein, basierend auf der Annahme, dass die Gesteinseigenschaften in horizontaler Richtung annähernd konstant sind.According to the invention, an effective removal of material can be ensured by the fact that in the region of the prechamber at the drill head also backward nozzles and / or scavenging outlets are arranged in order to drill further or deeper at the same power can. This represents a particular advantage of the drilling device according to the invention and the method, since, according to the current state of research, the pumping power is a limiting factor in the length of the bore. From the backward nozzles and / or scavenging exits an abrasive-free fluid flow exits, which minimizes the frictional forces acting on the drill head and the leads. The drill head may be pushed further towards the rocks and / or rock strata via the fluid of the backward nozzles than without their presence based on the assumption that the rock properties are approximately constant in the horizontal direction.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Bohrkopf ein rotierendes Innenteil auf, der über eine Achse am Gehäuse des Bohrkopfs gelagert ist. Das mit den Abrasivstoffen versetzte Fluid kann aus dem Bereich des rotierenden Innenteils über mindestens eine vorwärtsgerichtete rotierende Düse heraustreten. Im Wesentlichen bedeutet vorliegend, dass die vorwärtsgerichteten Düsen eine in Bezug auf den Bohrkopf Ausrichtung oder eine Neigung von weniger als 90° aufweisen, wobei der relative Neigungswinkel von der Beschaffenheit des Untergrunds variieren kann.In a particular embodiment, the drill head on a rotating inner part, which is mounted on an axis on the housing of the drill head. The fluid mixed with the abrasives can emerge from the region of the rotating inner part via at least one forward-rotating nozzle. Essentially, presently means that the forward nozzles have an orientation or inclination of less than 90 ° with respect to the bit, and the relative angle of inclination may vary with the nature of the substrate.
Vorteil des rotierenden Innenteils ist, dass ein gleichmäßiger Materialabtrag an der Bohrlochwand gegeben ist. Bei konventionellen Bohrköpfen des RJD-Bohrverfahrens ist die Ausrichtung der vorwärtsgerichteten Düsen statisch. Somit wird nur punktuell Material abgetragen. Durch die Rotation wird die gesamte Fläche der Bohrlochwand gleichmäßig bearbeitet.Advantage of the rotating inner part is that a uniform material removal is given to the borehole wall. For conventional RJD drilling heads, the orientation of the forward nozzles is static. Thus, only selectively removed material. The rotation of the entire surface of the borehole wall is processed evenly.
Der Bohrkopf umfasst im Falle der besonderen Ausgestaltung mit rotierendem Innenteil mindestens eine Fokussierdüse am rotierenden Innenteil und mindestens eine Bohrung am statischen Bereich (Stator) des Bohrkopfs zur Regulierung der Wasserversorgung. Dazu umfasst die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung im Falle der besonderen Ausgestaltung mit rotierendem Innenteil mindestens eine Mischkammer, mindestens eine Vorkammer, mindestens eine rückwärtsgerichtete Düse und/oder Spülausgang, mindestens eine Überleitung für die Abrasivstoffe und mindestens eine vorwärtsgerichtete Düse. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das rotierende Innenteil drei und der Stator vier Bohrungen zur Regulierung der Wasserversorgung auf, sodass sich mindestens eine oder auch keine der Bohrungen mit der Fokussierdüse bei einer Rotation des Innenteils überlagern können. Durch die periodisch auftretende Überlappung der Bohrungen des Stators mit der Fokussierdüse des rotierenden Innenteils kann eine Pulsation des Fluidstroms erfolgen, wobei die Frequenz der Pulsation durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten des Innenteils ermöglicht wird. Bei Überlappung der Bohrungen mit der Fokussierdüse wird der Abrasivstoff in die vorwärtsgerichtete Düse gedrückt, sodass bei Überlappen der Bohrungen und der Fokussierdüse das Fluid die Abrasivstoffe stoßartig aus den vorwärtsgerichteten Düsen drückt und einen impulsartigen Fluidstrom erzeugt. Eine solche Erzeugung eines pulsierenden Fluidstromes muss im Bohrkopf oder unmittelbar davor erfolgen. Eine Erzeugung in der Pumpe hat zur Folge, dass die Pulsierende Bewegung durch die dynamischen Eigenschaften einer langen Hydraulikleitung (Fluidträgheit und Leitungskompressibilität) gedämpft und gegebenenfalls bis zum Bohrkopf vollständig ausgeglichen wird.In the case of the special embodiment with a rotating inner part, the drill head comprises at least one focusing nozzle on the rotating inner part and at least one bore on the static area (stator) of the drill head for regulating the water supply. For this purpose, the drilling device according to the invention in the case of the particular embodiment with rotating inner part comprises at least one mixing chamber, at least one prechamber, at least one rearward nozzle and / or flushing outlet, at least one transition for the abrasive and at least one forward nozzle. In a particularly advantageous embodiment, the rotating inner part has three and the stator has four holes for regulating the water supply, so that at least one or none of the holes can be superimposed on the focusing nozzle during rotation of the inner part. Due to the overlapping of the bores of the stator occurring periodically with the focusing nozzle of the rotating inner part, a pulsation of the fluid flow can take place, the frequency of the pulsation being made possible by different rotational speeds of the inner part. When the bores overlap with the focusing nozzle, the abrasive is forced into the forward nozzle so that when the bores overlap with the focusing nozzle, the fluid abruptly forces the abrasives out of the forward nozzles to produce a pulsatile fluid flow. Such generation of a pulsating fluid flow must occur in or just before the drill bit. A generation in the pump has the result that the pulsating movement is damped by the dynamic properties of a long hydraulic line (fluid inertia and line compressibility) and, if necessary, completely compensated to the drill head.
Die rückwärtsgerichteten Düsen und/oder Spülausgänge werden während der Rotation des Innenteils bei auch fehlender Überlappung der Bohrungen des Stators und des rotierenden Innenteils mit abrasivstofffreiem Fluid beaufschlagt, wobei das Fluid einerseits als Gleitmittel innerhalb des Bohrlochs und andererseits als Vortriebsmedium für den Bohrvorgang dient. Die rückwärtsgerichteten Düsen verlaufen erfindungsgemäß schräg zur Längsmittelachse des Bohrkopfs, so dass durch die schräge Anordnung der rückwärtsgerichteten Düsen und/oder Spülausgänge einen Vortrieb des Bohrkopfes und ein Abtransport von abgetragenem Gestein bzw. Untergrund aus dem Bohrloch hinaus erleichtert wird. Zudem wirkt das Fluid wie beispielsweise Wasser oder Mischungen von Wasser mit Kohlenwasserstoffen als Schmierstoff zwischen dem rotierenden Innenteil, der Vorkammer und dem Bohrkopfgehäuse.The backward nozzles and / or flushing outlets are acted upon during the rotation of the inner part in the absence of overlap of the bores of the stator and the rotating inner part with abrasive-free fluid, the fluid serves as a lubricant within the borehole and on the other hand as a driving medium for the drilling operation. According to the invention, the backward-pointing nozzles run obliquely to the longitudinal central axis of the drill head, so that the oblique arrangement of the backward nozzles and / or scavenging outlets facilitates propulsion of the drill head and removal of removed rock or subsurface from the borehole. In addition, the fluid such as water or mixtures of water with hydrocarbons acts as a lubricant between the rotating inner part, the pre-chamber and the drill head housing.
Die Rotation des Innenteils kann dadurch erreicht werden, dass das rotierende Innenteil einen spitzen Winkel im Bereich von 1° bis 11° gegenüber dem Gehäuse des Bohrkopfs einschließt. Durch die Schaltung der Fokussierdüsen am Rotor und der Bohrungen am Stator wird der Bohrkopf mit Fluid beaufschlagt, womit eine Rotation des Innenteils induziert wird. Im Bereich des rotierenden Innenteils ist ein Ringspalt zwischen Gehäuse des Bohrkopfes und rotierendem Innenteil vorhanden, der je nach Einsatzzweck der Bohrvorrichtung in Größe und Breite variieren kann. Ebenso kann ein Schmierspalt zwischen dem rotierenden Innenteil und dem statischen Bereich des Bohrkopfs vorhanden sein, in das abrasivstofffreies Fluid eintreten kann und das Gleiten des rotierenden Innenteils entlang der Oberfläche des statischen Bereichs des Bohrkopfs erleichtert.The rotation of the inner part can be achieved by the rotating inner part enclosing an acute angle in the range of 1 ° to 11 ° with respect to the housing of the drill head. By the circuit of the focusing nozzles on the rotor and the bores on the stator, the drill head is subjected to fluid, whereby a rotation of the inner part is induced. In the area of the rotating inner part there is an annular gap between the housing of the drill head and the rotating inner part, which can vary in size and width depending on the intended use of the drilling device. Likewise, a lubricating gap between the rotating inner part and the static portion of the drill head may be present, in the abrasive-free fluid can enter and the sliding of the rotating inner part along the surface of the static portion of the drill head easier.
Die erfindungsgemäße SMC-Bohrvorrichtung findet insbesondere Einsatz bei der Erschließung von in Geothermie-Reservoirs, Erdöl-/Erdgaslagerstätten, Ankerbohrungen, Erkundungsbohrungen, Stimulationsbohrungen und/oder Verwendung für CT-Drilling Anwendung.The SMC drilling apparatus according to the invention finds particular application in the development of geothermal reservoirs, oil / gas deposits, anchor bores, exploration wells, stimulation wells, and / or use for CT drilling.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren nochmals eingehend beschrieben:The invention will be described again in detail with reference to the following figures:
In der
Während die hohen Drücke des abrasivstofffreien Fluides das rotierende Innenteil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bohrvorrichtungdrilling
- 22
- Bohrkopfwellhead
- 33
- Mischkammermixing chamber
- 44
- Vorwärtsgerichtete DüseForward nozzle
- 55
- Abrasivstoffeabrasives
- 6a6a
- abrasivstofffreie ZuleitungAbrasive-free supply line
- 6b6b
- abrasivstoffhaltige ZuleitungAbrasive-containing supply line
- 77
- Rückwärtsgerichtete DüseBackward nozzle
- 88th
- Vorkammerantechamber
- 99
- Rotierendes InnenteilRotating inner part
- 1010
- Ringspaltannular gap
- 1111
- Statorstator
- 1212
- ÜbergangsleitungTransition management
- 1313
- Bohrungdrilling
- 1414
- Fokussierdüsefocusing nozzle
- 1515
- Schmierspaltlubricating gap
- 1616
- Spülausgangpurge outlet
- 1717
- Leitungmanagement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6932285 B1 [0003]US Pat. No. 6,932,285 B1 [0003]
- US 6263984 A1 [0004]US 6263984 A1 [0004]
- CN 104033106 A [0005]CN 104033106 A [0005]
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