DE1066514B - Bohrturbine - Google Patents
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Classifications
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine vor Ort über dem Meißel angeordnete Bohrturbine. Tiefe Bohrlöcher
in Erde durchfahren stets zahlreiche Gesteinsschichten, die nur selten waagerecht liegen und
meistens mit mehr oder weniger großem Winkel gegenüber der Waagerechten einfallen. Außerdem
haben die verschiedenen Gesteinsschichten stark unterschiedliche Härten und Festigkeitseigenschaften, so
daß der erforderliche Druck zum Durchbohren sehr verschieden ist, infolgedessen weichen die Bohrlöcher
an solchen Übergangsstellen zwischen schrägliegenden Gesteinsschichten von der vorher eingehaltenen Bohrlochrichtung
ab.
Bei den bekannten Rotary-Bohrgeräten werden normalerweise sogenannte Schwerstangen verwendet. Das
sind besonders dickwandige Bohrgestängestangen, denen im allgemeinen bereits eine gewisse stabilisierende
Wirkung zugeschrieben wird. Diese Schwerstangen werden aus einzelnen Stangen zusammengeschraubt;
der ganze Schwerstangenstrang ist oftmals sehr lang. Es kommen Längen vor zwischen
50 und 200 m.
In tiefen Bohrlöchern beträgt der Bohrdruck am Bohrer gewöhnlich einen Bruchteil des Gestängegewichtes.
Darum wird das Gestänge über Tage so weit angehoben, daß nur ein Teil des Gewichtes ausgeglichen
ist und der übrige Teil als Bohrdruck am Bohrer verbleibt. Damit entsteht am Gestänge eine
Zone, in der weder eine Zugkraft noch eine Druckkraft vorhanden ist. Bei der Verwendung von Schwerstangen
liegt diese Zone sehr tief, oftmals sogar innerhalb des Schwerstangenstranges. Dies ist auch beabsichtigt,
denn durch die Schwerstangen wird der darüberliegende Bohrgestängestrang straff gehalten.
Bohrgestänge und Schwerstangen sind niemals so steif, daß sie nicht aus der geraden Achsenrichtung
abweichen könnten. Diese Abweichung aber verursacht ein Taumeln der einzelnen Teile des Gestänges und
der Schwerstangen, und zwar jeweils zwischen den Stellen, an denen eine Durchbiegung stattfindet. Diese
abweichenden Teilstränge verursachen am Bohrer ebenfalls ein Taumeln, so daß der Bohrer sehr labil
arbeitet. Die Erfahrung hat dann auch gezeigt, daß bei Verwendung von Schwerstangen die Bohrlöcher
keinesfalls gerader werden.
Man könnte die beabsichtigte Stabilisierungswirkung dadurch herbeiführen, daß man an den Verschraubungsstellen
der Schwerstangen jedesmal ein Führungsstück vorsieht. So zahlreiche Führungsstücke im Bohrloch
sind jedoch umständlich, führen Energieverluste herbei und können auch zu Störungen Anlaß geben.
Man spricht sogar davon, daß Schwerstangen eine Kreiselwirkung haben. Bei der Elastizität der Schwerstangen
jedoch hat diese Kreiselwirkung eine der Bohrturbine
Anmelder:
Salzgitter Maschinen Aktiengesellschaft,
Salzgitter-Bad
Salzgitter-Bad
Ralen Joannessjan, Moskau,
ist als Erfinder genannt worden
Stabilisierung entgegengesetzte Wirkung. Da die einzelnen Schwerstangenabschnitte zwischen den durch
Verbiegung am Bohrloch anliegenden Stellen aus der generellen Bohrlochachse abweichen, entsteht bei einer
vorliegenden Kreiselwirkung Elongation. Infolge dieser gänzlich unbeabsichtigten Kreiselwirkung wird
das Abweichen des Bohrers bzw. sein »Taumeln« sogar wirksam unterstützt, so daß die notwendige Stabilisierung
durch Schwerstangen nicht eintreten kann.
Das Ziel der Erfindung ist, ein unbeabsichtigtes Abweichen der Bohrlochachse an Schichtübergängen
wirksam zu vermeiden. Das geschieht nach der Erfindung dadurch, daß zum Ausgleich der auf den Meißel
wirkenden seitlichen Ablenkkräfte die den Meißel tragende Turbinenwelle mit einer Schwungmasse als
Stabilisator versehen ist.
Es hat sich ergeben, daß bei Drehzahlen, wie sie unter Verwendung von Bohrturbinen in den Bohrlöchern
vorkommen, eine Masse von etwa 2 t ausreicht, um die erforderliche Stabilisierung zu gewährleisten
und hinreichend große Bohrlöcher bohren zu können. Die Schwungmasse und die Motorwelle können aus
einem Stück bestehen. Sie kann aber auch als gesonderter Körper auf der Motonvelle angeordnet sein.
Zweckmäßig ist dabei die Schwungmasse als Hülse ausgebildet.
Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ergibt sich aus dem Kräftespiel, wie es in den Fig. 1
bis 3 dargestellt ist. a-b ist die ursprüngliche und auch weiterhin gewünschte Richtung des Bohrloches. An
den schrägen Schichtengrenzen c-d weicht bei der herkömmlichen Art des Bohrens die Bohrlochachse in h
ab. Ist oben hartes und unten weiches Gestein (Fig. 1), so besteht beim Bohren im Schichtenübergang auf der
Bohrlochsohle links der höhere Gegendruck f gegen den Bohrer und rechts der geringere Gegendruck e.
Im Bohrer und Bohrgestänge 3 und 2 entsteht dadurch ein rechtsdrehendes Kräftepaar g\-g2, das das Ge-
909 637/89
stange 2 verbiegt und das Bohrloch in Richtung h abweichen
läßt.
In Fig. 2 wird gezeigt, wie das Bohrloch nach rechts abweichen muß, wenn unter sonst gleichen Umständen
die obere Gesteinsschicht weich und die darunterliegende hart ist.
Dieses Abweichen von Bohrlöchern wird nach der vorliegenden Erfindung durch Kreiselwirkung verhindert.
Die Wirkungsweise ist in Fig. 3 dargestellt.
Auf der Achse k sitzt die umlaufende Masse m. Der
Kreisel ist mit seinen Lagerspitzen in ο und p gelagert. Jeder Kreisel, der in schnelle Umdrehungen versetzt
wird, hat das Bestreben, seine Drehachse beizubehalten, Wird von außen her, d. h. durch die Lager ο und p,
der Kreiselachse ein Drehmoment gl-g2 aufgezwungen,
so entsteht in der Kreiselmasse ein Kräftespiel, aus dem ein entgegengerichtetes Kräftepaar il-t"2
resultiert. Dieses Kräftepaar verhindert das Ausweichen der Kreiselachse in Richtung des Kräftepaares
§Ί-£2.
Die physikalischen Gesetze, nach denen dieses Kräftespiel vor sich geht, sind bekannt. Wichtig ist
lediglich, daß
1. eine genügend große Masse diese Kreiselwirkung ausübt,
2. die Drehzahl von Masse, Bohrgestänge und Bohrer hoch genug ist und
3. Kreisel und Bohrgestänge so steif sind, daß sie sich nicht durchbiegen können.
Die Drehzahl beträgt beim Bohren mit Bohrturbinen etwa 400 bis 800. Dadurch erst wird es möglich, bei
dieser Art des Bohrens die Stabilisierung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich anzuwenden; denn
bei dem herkömmlichen Bohren beträgt die Drehzahl nur SO bis 250, so daß wesentlich größere Kreiselmassen
erforderlich wären, die kaum im Bohrloch unterzubringen sind. Aus demselben Grund kann beim
Turbinenbohren das Gestänge mit der Kreiselmasse zwischen Turbine und Bohrer so steif ausgeführt
werden, daß keine Durchbiegung erfolgt, Schwerstangen, die beim herkömmlichen Bohren verwendet
werden, können die gewünschte Kreiselwirkung nicht ausüben. Sie sind viel zu lang und biegen sich durch,
so daß die Bohrlöcher nicht in dem gewünschten Sinne gerade bleiben. Es ist auch bekannt, daß die notwendigen
Stabilisierungswirkungen bei Schwerstangen nicht erreicht werden, wenn man dieselben durch Führungen
in der Mitte des Bohrloches hält. Es ist vielmehr notwendig, die Seitenkräfte aufzuheben; dazu
dient der vorbeschriebene Kreisel.
Nachstehend ist die einfachste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Diese betrifft
bei Bohrturbinen die zur Zeit meistgebauten Typen. Solche Bohrturbinen haben, wie es für die Funktion
des Erfindungsgegenstandes notwendig ist, eine hohe Drehzahl.
Bei Turbinen und anderen Vor-Ort-Antriebsmaschinen für Tiefbohrer mit kleineren Drehzahlen würden
zur Erzielung der gleichen Stabilisierungswirkung unverhältnismäßig große Kreiselmassen notwendig
sein. In einem solchen Fall kann man die Kreiselmassen unabhängig von der Turbinenwelle 2 umlaufen
lassen und in dem dann notwendig werdenden Getriebe zwischen der Turbine 1 und der Kreiselmasse eine
Übersetzung ins Schnelle vorsehen.
Auf diese Weise ist es möglic& aucb bei relativ
langsam umlaufenden Bohrern, was gelegentlich aus bohrtechnischen Gründen gewünscht werden könnte,
eine Stabilisierung mit einer Anlage gemäß Erfindung vorzusehen.
Der Aufbau der Vorrichtung ist in den Fig. 4 bis 7 veranschaulicht.
1 ist die zum Antrieb des Bohrers 3 dienende Bohrturbine, die im Bohrloch 7 unmittelbar über der Bohrlochsohle
arbeitet. 2 ist die Turbinenwelle, mit der von der Turbine 1 das Drehmoment über den Bohrer 3
übertragen wird. 4 ist die umlaufende, als Kreisel wirkende Masse, welche in Fig. 4 nach dem Schnittbild
5 lediglich eine Verdickung der Turbinenwelle 2 und somit einen massiven Körper darstellt. Fig. 5
zeigt dagegen beispielsweise, daß diese, als Kreisel wirkende, umlaufende Masse auch zusätzlich auf dem
Bohrgestänge 2 mit üblichen technischen Mitteln angebracht werden kann.
In der Regel wird die umlaufende Masse aus Stahl bestehen. Bei den gebräuchlichen Bohrlochdurchmessern
lassen sich dann Kreisel in der Länge von etwa 7 bis 15 m unterbringen. Es können jedoch außer Stahl
auch andere Materialien zum Aufbau der umlaufenden Masse verwendet werden, sofern man die hohen Kosten
dafür aufwenden will. In Betracht kommt Wolfram, das ein 2V2inal so hohes spezifisches Gewicht aufweist
als Stahl. In dem Fall wird der Kreisel kürzer.
Da mit dem Kreisel das im Bohrloch befindliche Gerät 1, 2, Z, 4 in Fig. 4 unter Beibehaltung der
Achsenrichtung wandern könnte, ist unmittelbar oberhalb dieses Gerätes eine Führung angeordnet. Diese
sitzt auf dem nicht an der Drehung des Bohrers 3 teilnehmenden Gestänge 8; es besteht aus an sich bekannten
Elementen, die sich mit leichtem Druck gegen die Bohrlochwand 7 anlegen. Dadurch wird die Gerätachse
genau in der Mitte des Bohrlochs gehalten. In Fig. 4 besteht diese Führung aus spiralförmigen
Rippen 9, in Fig. 6 aus Rollen 10, die achsparallel oder schräg zur Achse stehen können. In Fig. 7 besteht
die Führung aus einem Ring 11, der durch zeichnerisch nicht dargestellte Rippen auf dem Gestänge 8
befestigt ist.
Es ist nicht notwendig, daß bei Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung der Antrieb
des Bohrers 3 durch eine »Vor-Ort-Bohrturbine« erfolgt. Es kann jede beliebige Kraftmaschine an jeder
beliebigen Stelle des Gestänges, auch über Tage, zur Anwendung kommen, wenn nur die genannten Vorbedingungen
für die Funktion des Kreisels gegeben sind.
Claims (1)
- Patentanspruch:Vor Ort über dem Meißel angeordnete Bohrturbine, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der auf den Meißel wirkenden seitlichen Ablenkkräfte die den Meißel tragende Turbinenwelle (2) mit einer Schwungmasse als Stabilisator (4) versehen ist.In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 126 075, 2 248100.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen637/89 9. 59
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1066514B true DE1066514B (de) | 1959-10-08 |
Family
ID=592603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DENDAT1066514D Pending DE1066514B (de) | Bohrturbine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1066514B (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0085444A2 (de) * | 1982-02-02 | 1983-08-10 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Bohrlochrichtung |
USRE33751E (en) * | 1985-10-11 | 1991-11-26 | Smith International, Inc. | System and method for controlled directional drilling |
-
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- DE DENDAT1066514D patent/DE1066514B/de active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0085444A2 (de) * | 1982-02-02 | 1983-08-10 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Bohrlochrichtung |
EP0085444A3 (en) * | 1982-02-02 | 1983-10-19 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method and means for controlling the course of a bore hole |
USRE33751E (en) * | 1985-10-11 | 1991-11-26 | Smith International, Inc. | System and method for controlled directional drilling |
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