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Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrungen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrungen unter Verwendung eines
relativ zum Gestängerohr rotierenden Bohrwerkzeuges, z. B. eines Turbomeißels, wobei
der Meißel verschwenkbar befestigt und im Gestängerohr ein Neigungsmesser vorhanden
ist.
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Es ist in der Erdöl-Bohrtechnik bekannt, daß es bei Tiefen von mehr
als etwa 1800 m schwierig ist, schnell in den Boden einzudringen, da das
Gewicht auf dem Meißel, das für einen schnellen Bohrfortschritt erforderlich ist,
eine Abweichung der Richtung des Meißels von der Senkrechten bewirkt. Bisher war
es nicht möglich, eine brauchbare Steuerung des Meißels zu erzielen, die sich zur
Korrektur der Richtung eines Bohrlochs eignen würde, wenn sie von der Senkrechten
abweicht.
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In den letzten Jahren wurde eine Reihe von neuen Bohrverfahren entwickelt.
Das wichtigste von ihnen ist das Turbinenbohren, das nunmehr weitgehend angewendet
wird. Das Turbinenbohren hat viele Vorteile gegenüber dem normalen Bohrverfahren.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, daß beim Turbinenbohren
das Bohrgestänge, das den Turbomeißel mit der Erdoberfläche verbindet, sich nicht
mitdreht. Ein weiteres Verfahren, bei dem das-Drehen-der Gestängerohre vermieden
wird, ist das elektrische Bohren, bei dem der Meißel elektrisch an-. getrieben wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Niederbringen von
Bohrungen in einer solchen Weise zu schaffen, daß jede Abweichung der Bohrung von
einer gewünschten Richtung, z. B. der Senkrechten, selbsttätig berichtigt wird.
Zwar ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Richtung von Gesteinsbohrlöchern während
des Betriebes unter Verwendung von im Bohrloch angeordneten Antriebsaggregaten,
wie Bohrhämmern und Motoren, bekannt, wobei die Achse des Bohrwerkzeuges gegen die
Bohrlochachse verschwenkt, versetzt oder verschwenkbar angeordnet ist und Mittel
vorgesehen sind, um die Neigung der Bohrvorrichtung gegenüber dem Lot in jedem Zeitpunkt
festzustellen. Die bekannte Einrichtung ist auch mit einem Neigungsmeßgerät versehen,
die z. B. äußere und mittlere Meßpunkte festzulegen gestattet. Diese Meßwerte werden
am Bohrloch zur Anzeige gebracht und dienen zur Richtungsüberwachung. Außerdem ist
es zur Feststellung der Achsenneigung des Bohrloches bzw. des Bohrwerkzeuges bekannt,
die gesamte Bohrvorrichtung von außerhalb des Bohrloches mit Hilfe des Stützgestänges
um 3601 zu drehen, so daß am Meßgerät ein Ausschlag ablesbar ist. Die bekannte
Vorrichtung weist keine Mittel auf, die senkrechte Stellung des Meißels während
des Betriebes ständig und selbsttätig beizubehalten.
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Die Erfindung sieht eine verbesserte Vorrichtung zum Niederbringen
von Bohrungen unter Verwendung eines relativ zum Gestängerohr rotierenden Bohrwerkzeuges,
z. B. eines Turbomeißels, vor, wobei der Meißel verschwenkbar befestigt und im Gestängerohr
ein Neigungsmesser vorhanden ist. Die Verbesserung besteht im wesentlichen darin,
daß der Meißel über ein Kardangelenk mit dem Gestängerohr und das Kardangelenk mit
dem einen Ende eines als Hebel arbeitenden, relativ kurzen Stellteiles verbunden
ist, wobei das andere Stellteilende in der Rohrquerebene durch eine von einem Neigungsmesser
gesteuerte, ebenfalls im Gestängerohr untergebrachte Stellvorrichtung und mit ihm
der Meißel ständig und selbsttätig verstellbar ist. Hierbei wird jede unerwünschte
Bewegungsänderung des Meißels durch den Neigungsmesser, welcher als
Fühlgerät
arbeitet, festgestellt und durch die -SteRvorrichtung eine korrigierende Kraft zwischen
Meißel und Gestängerohr derart ausgeübt, daß der Meißel in die gewünschte Bewe ungsrichtung
zurückkehrt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Stellvorrichtung als eine hydraulisch arbeitende Vorrichtung ausgebildet
ist und mehrere Kolben enthält, die durch vom Neigungsmesser ausgehende Impulse
gesteuert werden. Die Stellvorrichtung ist an einem der zueinander im Winkel verstellbaren
Teile befestigt; sie besteht aus wenigstens zwei doppeltwirkenden, in Zylindern
angeordneten Kolben, die schwenkbar mit einem der verstellbaren Teile verbunden
und rings um seine Achse verteilt sind, wobei die Zylinder schwenkbar mit dem anderen
langgestreckten Teil verbunden und mit Druckflüssigkeit auf beiden Seiten der Kolben
gespeist werden. Die Verwendung einer hydraulischen Stellvorrichtung, welche ferner
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ,keit versorgt wird, von einer Pumpe mit.
Druckflüssig die im Betrieb der Vorrichtung durch den Meißel selbst angetrieben
wird, ermöglicht eine selbständige Hilfskraftvorrichtung im Bereich des Meißels
selbst. In vorteilhafter Weise ist aber auch das ganze restliche Zubehör am läohrlochende
im Gestängerohr untergebracht, so daß z. B. keine Signale über lange Leitungen nach
außen geschickt werden müssen; es ist hier zu berücksichtigen, daß solche Leitungen
eine relativ hohe Kapazität haben, so daß die über längere Strecken gesandten Signale
verzerrt werden. Erfindungsgemäß ist also.auch das Neigungsmeßgerät im unteren Bereich
des Bohrloches untergebracht, wobei der Neigungsmesser--ein Pendel enthält, welches
unmittelbar oder mittelbar auf eine Anzahl von Potentiometern einwirkt. Die Anzahl
der Potentiometer wird gleich groß wie die Anzahl der Kolben der Stellvorrichtung
gewählt, und jedes Potentiometer ist elektrisch mit einem der Servoventile verbunden.
Im Normalbetrieb werden die Ventile nicht-betätigt. Weicht aber der Meißel von der
gewünschten Richtung ab, gehen von den Potentiometern elektrische Impulse zu den
Servoventilen, und hierdurch werden letztere geöffnet und die Kolben hydraulisch
derart betätigt, daß sie die Verstellteile in die gewünschte Richtung
zu-
rückführen. Zweckmäßig sind drei Kolben vorgesehen, die in einer Ebene
um 120' zueinander versetzt sind und senkrecht zur Achse desjenigen Teiles stehen,
mit dem sie verbunden sind. Ebenfalls sind zweckmäßig drei Potentiometer vorgesehen,
die die gleiche Winkelstellung wie die Kolben annehmen können.
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Die Stellvorrichtung selbst besteht im wesentlichen aus zwei doppeltwirkenden
Kolben, die schwenkbar mit einem der verstellbaren Teile verbunden und in Zylindern
geführt sind. Die Zylinder sind ihrerseits schwenkbar mit dem anderen verstellbaren
Teil verbunden. Eine Druckflüssigkeit wird den beiden Seiten der Kolben zugeführt.
Das Hilfsventil kann elektrohydraulisch ausgebildet sein und dient zur Steuerung
der Flüssigkeitszufuhr zu jeder Seite des Kolbens in Übereinstimmung mit
den vom Neigungsmesser abgegebenen Impulsen.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der nachfolgenden Zeichnungen
erläutert, die schematische Ausführungsbeispiele -darstellen.
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Fig. 1A und 1B ist ein Längsschnitt, der die vollständige,
zwischen der unteren Verbindung des Gestängerohrs und einem Turbomeißel eingebaute
Vorrichtung zur Richtungssteuerung zeigt. Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie
A-A von Fig. 1 B.
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Fig. 3 ist ein Teilschnitt längs der Linie C-C von Fig.
1 A.
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Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Mechanismus und
Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie B-B von Fig. 1 A.
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Die vollständige Vorrichtung 1 zur Richtungssteuerang ist zwischen
der unteren Verbindung 2 des Gestängerohrs und der Meißelhalterung 3 zusammengebaut.
Die Schraubverbindung 4 zum Turbomeißelgehäuse 3 ist ein Hebelarm, der mit
dem Hauptgehäuse 5
des Mechanismus durch ein aus Innenhülse 7, Gelenkbolzen
8, Arretierringen9 und hitzebeständigen Gummidichtungen 10 bestehendes
Kardangelenk verbunden ist. Das Kardangelenk gestattet vollständig freie Bewegung
der Turbomeißelhalterung 3 innerhalb eines kleinen Winkels. Der Hebelarm
4 geht durch die Mitte des Kardangelenks 6 längs des Hauptgehäuses
5 des Mechanismus. Am oberen Ende des Hebelarms 4 sind drei doppeltwirkende
Kolben 11 angeschlossen, die radial unter 1201 zueinander angeordnet und
in der Lage sind, sich in Zylindern 12 zu bewegen, die ihrerseits an Haltebolzen
13 schwenkbar sind. Die Halteplatte 14 trägt die oberen Haltebolzen. Die
unteren Haltebolzen sind am Hauptgehäuse 5 des Mechanismus gelagert.
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Mit vier (nicht dargestellten) Schrauben sind an jedem Zylinder 12
ein Verteilerblock 15 und ein elektrohydraulisches Servoventil
16 befestigt. Den Ventilen wird öl unter hohem Druck zugeführt. Gesteuert
werden sie durch elektrische Impulse. Auf die ölzufuhr wird zunächst eingegangen.
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Im unteren Teil des Hebelanns 4 befindet sich ein Behälter
17, der eine hydraulische Pumpe 18 enthält, deren Welle
19 durch eine Verbindung 20, in die ein Kardangelenk 21 eingesetzt ist und
die am oberen Teil des Rotors 22 des Turbomeißels festgekeilt ist, angetrieben wird.
Aus einem Behälter 23 wird Öl
durch Ansaugleitung 24 angesaugt und
unter hohem Druck über das Ausflußrohr 25 durch die Mitte des Behälters
23 ausgestoßen. Unmittelbar über dem Behälter 23 befindet sich ein
Überströmventil 26, das mit der Hochdruckleitung 25 verbunden ist,
um die Flüssigkeit zum Behälter 23 zurückzuleiten, wenn der erforderliche
Druck erreicht ist. Falls erforderlich, kann ein Sammelbehälter in der Hochdruckleitung
über dem Behälter 23 angeschlossen werden.
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Das Öl strömt unter hohem Druck in ein Filter 27
und
dann weiter in eine Muffe 28, die nach innen einen Ringraum aufweist und
in geeigneter Weise abgedichtet ist. Drei Gleitarme 29 führen das Hochdrucköl
zu den Verteilerblocks 15, und zwar ein Arm zu jedem Block. Die Verteilerblocks
sind in geeigneter Weise gebohrt, um eine Verbindung zu ihren angrenzenden elektrohydraulischen
Servoventilen 16 und Zy-]indem 12 an jeder Seite der Kolben 11 zu
erhalten. Die von den Kolben 11 abfließende Flüssigkeit wird zum Behälter
23 über Gleitarme 30 zurückgeführt, die mit der Muffe 31, die
innen einen genügend abgedichteten Ringraum aufweist, in Verbindung stehen. Ein
Ringraum, gebildet durch ein Rohr 32 mit großem Innenabstand -zum Hochdruckrohr
25, führt das Öl
unter Umgehung des Filters 27 auf dem dargestellten
Wege zum Behälter 23 zurück. In dem Teil des Rohrs 32, der im Behälter
23 liegt, sind Löcher vorgesehen, damit das öl in den Behälter fließen
kann.
Nun sei auf die elektrischen Impulse zu den Ventilen eingegangen.
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Im oberen Gehäuse 33 liegt ein Mechanismus 34, bestehend aus
einem Gehäuse 35, das eine Stromquelle 36 und einen Neigungsmesser
38 vom Pendeltyp enthält. Der Pendel ruht in einer kugelförmigen Auflage
40, so daß er sich frei nach allen Richtungen bewegen kann. Durch einen Anschlag
41 wird eine zu starke Bewegung des Pendels verhindert. Das Pendelgehäuse 42 ist
mit einer Dämpfflüssigkeit gefüllt. Drei Potentiometer 43 sind unter 1201 in den
gleichen Winkelstellungen wie die Kolben 11 angebracht, wobei ein Fühlstift
44 von jedem Potentiometer 43 mit dem Pendel 39 auf die dargestellte Weise
in Verbindung steht.
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Ein Strom wird von der Stromquelle 36 so zugeführt, daß von
den Potentiometern 43 ein Impuls zu den elektrohydraulischen Servoventilen
16 gelangt, und zwar derart, daß die Ventile nicht betätigt werden, wenn
die äußeren Gehäuse 33, 5 und 3 parallel zum Pendel 39 verlaufen,
d. h. wenn sie senkrecht stehen. Sind diese Gehäuse nicht parallel zum Pendel
39, werden Impulse auf die Steuerventile 16 gegeben, wodurch die Kolben
11 hydraulisch betätigt und die Gehäuse 3, 5 und 33 in eine
Richtung mit dem Pendel 39 gebracht, d. h. in die senkrechte Stellung
zurückgeführt werden.
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Der Spülungsumlauf ist durch die Pfeile 45 in Fig. 1
angedeutet.
Die freie Querschnittsfläche durch den Mechanismus an jeder Stelle ist ebenso groß
oder größer als die Querschnittsfläche des Gestängerohrs darüber. Da die Spülung
mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, sind Schutzbleche 46 vorgesehen, um die bewegten
Teile zu schützen. Nach Wunsch können zusätzliche Schutzbleche eingebaut werden.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung während des Bohrens ist folgende:
Während des Bohrens bei senkrechter Stellung des Turbomeißels wird öl unter
hohem Druck durch Pumpe 18 den elektrohydraulischeu Servoventilen
16 zugeführt, die das öl ihrerseits auf jede Seite der Kolben
11 verteilen und auf diese Weise eine hydraulische Blockierung bewirken.
Von den Potentiometern des Neigungsrrtessers kommt in dieser Stellung kein Impuls.
Wenn der ganze untere Teil (1, 3) beginnt, von der Senkrechten abzuweichen,
wird auf Grund der Tatsache, daß das Pendel 39
senkrecht bleibt, ein Impuls
von den Potentiometern abgegeben. Der Impuls wird verstärkt und gelangt zu den Servoventilen
16. Der Druck wird dann auf der gewünschten Seite der Kolben 11 zum
Abfluß hin entspannt, wie es die Impulse fordern, und eine einseitige Kraft wird
an dieser Stelle auf den Hebelann 4 ausgeübt, der im Kardangelenk 6 schwenkt
und einen Druck auf den Meißel erzeugt. Mit der allmählichen Rückkehr des Meißels
zur Senkrechten wird der Impuls von den Potentiometern schwächer, bis er Null erreicht.
Diese automatische Korrektur geht während der gesamten Bohrzeit kontinuierlich vonstatten.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird
der Turbomeißel unterhalb des Kardangelenks jederzeit zwangläufig parallel zum Pendel
des Neigungsmessers und damit senkrecht gehalten. Die Potentiometer können jedoch
auch mittelbar durch einen Steuerarin anstatt unmittelbar durch ein Pendel derart
gesteuert werden, daß der Turbomeißel zwangläufig in einem von der Senkrechten abweichenden,
vorbestimmten Winkel bohrt, der dem vorher eingestellten Winkel zwischen dem Steuerann
und dem Pendel gleich ist. Durch Einbeziehung eines geeigneten Bezugs-Seitenwinkels
(z. B. magnetischer Kompaß) mit zusätzlicher Servosteuerung zur Korrektur von Seitenrichtungsfehlem
ist eine Vorherbestimmung der von der Senkrechten abweichenden Richtung des Bohrlochs
möglich.