-
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft einen Fluidbohrkopf mit einem Gleit-Kalibrierring und wurde insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, zur Verwendung in Fluidbohrvorrichtungen des Typs entwickelt, die in unserer Internationalen Patentspezifikation Nr.
PCT/AU02/01550 , unter der Internationalen Veröffentlichungsnr.
WO 03/042491 A1 , beschrieben ist, deren Inhalt durch Querverweis in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Von Fluidbohrvorrichtungen des in
PCT/AU02/01550 beschriebenen Typs ist bekannt, einen Kalibrierring zu verwenden, der so bemessen ist, dass der Außendurchmesser des Rings ungefähr der gewünschten Größe des zu bohrenden Bohrlochs entspricht, um die Vorschubbewegung des Fluidbohrkopfes durch das Gestein zu steuern. In dem in dieser PCT-Spezifikation genannten Beispiel ist der Kalibrierring von der drehbaren Düsenbaugruppe des Bohrkopfes so beabstandet, dass Gesteinssplitter, die durch die Wirkung der Fluidstrahlen in dem drehbaren Bohrkopf losgeschnitten werden oder losbrechen, zwischen dem Kalibrierring und dem Körper des Bohrkopfes hindurch passieren können, um mit dem zurückströmenden Bohrfluid von den Führungsstrahlen und den Räumstrahlen nach hinten gespült zu werden.
-
Es ist als wichtig befunden worden, die Geschwindigkeit des Bohrfluids, das durch das Bohrloch zurückströmt, aufrecht zu erhalten, um die Bildung oder den Aufbau eines Bohrsplitterbettes, welches die Reibung zwischen dem Schlauch und den Wänden eines lateralen Bohrlochs signifikant erhöht, in dem Bohrloch zu verhindern.
-
Im Vergleich zu herkömmlichen Bohrsystemen sind die Schubkräfte, die beim Fluidstrahlbohren auftreten, sehr gering. Der Bohrkopf wird typischerweise durch rückwärts gerichtete Bohrfluidstrahlen des Bohrkopfs mit einer relativ geringen Schubkraft vorgetrieben. Das schlauchbasierte System schließt die Anwendung eines signifikanten „Schiebens” aus, was anderenfalls durch Spiralrohre bereitgestellt werden kann, die in anderen Bohrkopfformen verwendet werden, da ein Schieben dieser Art einfach nur den Schlauch in dem Bohrloch spiralförmig verbiegt, was zusätzlich Reibung und Widerstand gegen die Vorschubbewegung des Bohrkopfes erzeugt.
-
Es ist nachgewiesen worden, dass sich die Reibung zwischen dem Schlauch und dem lateralen Bohrloch vervielfacht, wenn der Schlauch teilweise in Bohrsplitter eingetaucht ist, die vom Bohrkopf aus in das Bohrloch hinab zurückgespült werden. Es ist überaus wünschenswert, dass sich der Schlauch in einem sauberen Bohrloch befindet, da die hohe Reibung in dem Loch den Vorschub sehr rasch zunichtemacht und die Länge beschränkt, auf die ein Bohrloch mittels eines Fluidbohrkopfes gebohrt werden kann.
-
Um die Geschwindigkeit des in einem lateralen Bohrloch strömenden Fluids hoch genug zu halten, um die Bohrsplitter mitzureißen und die Bildung oder den Aufbau einer Bohrsplitterbettes in dem lateralen Loch zu verhindern, muss die Fluidgeschwindigkeit oberhalb eines kritischen Niveaus gehalten werden, um das Räumgut oder die Bohrsplitter mitzureißen.
-
Es ist festgestellt worden, dass Fluidbohrköpfe mit Kalibrierringen des in der internationalen Patentspezifikation
PCT/AU02/01550 beschriebenen Typs zwar geeignet sind zu verhindern, dass der Bohrkopf in dem Loch durch eine übermäßig schnelle Bewegung festklemmt, aber dazu führen können, dass der Bohrfortschritt verlangsamt wird oder zum Stillstand kommt, während sich die Führungsstrahlen ihren Weg durch Stellen aus hartem Gestein bahnen oder andere Hindernisse fortzuräumen versuchen. In dieser Situation vergrößern die Räumstrahlen weiter den Bohrlochdurchmesser und schneiden schnell ein Loch mit größerem Durchmesser als der Kalibrierring. Dieses Loch mit größerem Durchmesser führt zu einer Verlangsamung der Geschwindigkeit des Rücklauf-Bohrfluids, was wiederum zum Aufbau des Bohrsplitterbettes in der Sohle des lateralen Bohrloches und einem erhöhten Reibungswiderstand am Schlauch führt. Sobald der Reibungswiderstand am Schlauch über das Basisniveau hinaus zunimmt, erreicht das Werkzeug unter keinen Umständen die optimale Rate beim Zuführen und setzt das Bohren eines großen Bohrloches fort. Das geht gewöhnlich mit scharfen Knicken in der horizontalen und der vertikalen Richtung und der anschließenden Terminierung des lateralen Bohrloches einher.
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung stellt darum einen Fluidbohrkopf zum Bohren eines Bohrloches durch Gestein bereit, wobei der Fluidbohrkopf eine drehbare Düsenbaugruppe aufweist, die mehrere Düsen enthält, die eingerichtet sind, Fluidstrahlen zu bilden, wenn sie mit einem druckbeaufschlagten Fluid versorgt werden, wobei die Fluidstrahlen einen oder mehrere Führungsstrahlen enthalten, die in die allgemeine Bewegungsrichtung des Bohrkopfes weisen, und einen oder mehrere Räumstrahlen enthalten, die allgemein radial gerichtet sind und eingerichtet sind, das durch die Führungsstrahlen gebildete anfängliche Loch zu vergrößern, und einen Kalibrierring aufweist, der hinter dem Schneidkopf angeordnet ist und auf den beabsichtigten Durchmesser des Bohrloches bemessen ist, wobei der Kalibrierring eingerichtet ist, axial relativ zu dem rotierenden Schneidkopf zwischen einer hinteren Position, in der der oder jeder Räumstrahl exponiert ist, und einer vorderen Position, in der einige oder alle Räumstrahlen von dem Kalibrierring umgeben sind, zu gleiten.
-
Bevorzugt ist ein Vorspannmittel bereitgestellt, das eingerichtet ist, den Kalibrierring in die vordere Position vorzuspannen.
-
Bevorzugt umfasst das Vorspannmittel eine Feder.
-
Alternativ umfasst das Vorspannmittel eine Hydraulikkraft aus der Zufuhr des druckbeaufschlagten Bohrfluids, die gegen nach hinten weisende Flächen am Kalibrierring wirkt.
-
In einigen Formen der Erfindung kann das Vorspannmittel eine Kombination aus einer Feder- und einer Hydraulikkraft sein.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ungeachtet anderer Formen, die in den Geltungsbereich der Erfindung fallen, wird nun eine bevorzugte Form der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
-
1 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht eines Fluidbohrkopfes gemäß der Erfindung;
-
2 ist eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Fluidbohrkopfes mit dem Kalibrierring in einer mittleren Position, die den hintersten Räumstrahl behindert;
-
3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Fluidbohrkopfes mit dem Kalibrierring in der vorderen Position gezeigt, so dass alle Räumstrahlen umschlossen sind; und
-
4 ist eine ähnliche Ansicht wie 3, die den Kalibrierring in der hinteren Position zeigt, wobei alle Räumstrahlen exponiert sind.
-
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
-
In der bevorzugten Form der Erfindung besteht ein Fluidbohrkopf 1 aus einer drehbaren Düsenbaugruppe 2 mit Düsen 3 und 4, aus denen jeweils Hochdruck-Führungsstrahlen eines Bohrfluids (typischerweise Wasser) 5 bzw. 6 austreten.
-
Die drehbare Düsenbaugruppe enthält außerdem Räumdüsen 7, 8 und 9, aus denen jeweils Räumwasserstrahlen 10, 11 bzw. 12 austreten.
-
Die Bewegungsbahn der Fluidstrahlen ist in den beiliegenden Zeichnungen in einer idealisierten Weise als schlanke Stäbe gezeigt, die aus jeder Düse austreten, und des Weiteren sind diese Stäbe zur deutlicheren Darstellung ihrer Richtung so gezeigt, dass sie sich durch den Kalibrierring (der weiter unten noch beschrieben wird) hindurch erstrecken, obgleich sie in der Praxis durch den Kalibrierring umschlossen oder behindert sein können.
-
Der Fluidbohrkopf ist mit einem Kalibrierring 13 versehen, der einen Gesamtdurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der beabsichtigte Durchmesser des einzubringenden Bohrlochs ist, und der Kalibrierring ist so an dem Fluidbohrkopf montiert, dass er eingerichtet ist, axial relativ zu der drehbaren Düsenbaugruppe 2 zwischen einer hinteren Position, wie in 4 gezeigt, bei der die Räumstrahlen 10, 11 und 12 alle exponiert sind, und einer vorderen Position, wie in 3 gezeigt, bei der die Räumstrahlen durch den Kalibrierring so umschlossen oder bedeckt sind, so dass sie jenseits des Punktes der Behinderung durch den Kalibrierring keine Wirkung mehr erzielen, zu gleiten. Die Räumstrahlen können sich radial von dem Fluidbohrkopf erstrecken, aber sind bevorzugt nach hinten abgewinkelt, wie in den Zeichnungen gezeigt.
-
Der Kalibrierring ist dafür ausgelegt, einen Fluss aus Bohrfluid und Bohrsplittern zu empfangen, die aus der Wirkung der verschiedenen Strahlen durch eine ringförmige Öffnung 14 zwischen dem Ring und dem Körper des Schneidkopfes austreten, und diese Bohrsplitter nach hinten durch Öffnungen 15 in der Hinterkante des Kalibrierrings passieren zu lassen, wo sie in dem Körper des Fluidbohrkopfes abwärts durch Kanäle 16 in dem Korpus 17 des Bohrkopfes strömen können.
-
Der Gleit-Kalibrierring ist, wie in 3 gezeigt, durch ein Vorspannmittel in die vordere Position vorgespannt. Dieses Vorspannmittel kann entweder eine Feder 18 sein, die an einer nach hinten weisenden Schulter 19 des Kalibrierrings anliegt, wie in 3 zu sehen ist, oder kann alternativ durch Fluiddruck gebildet werden, der durch das Hochdruck-Bohrfluid bereitgestellt wird, das durch den Schlauch des Bohrkopfes in den Hohlraum 20 eingeleitet wird, der an die Schulter 19 grenzt, wie in 4 gezeigt.
-
Wenn sich der Fluidbohrkopf während des Betriebes in dem Bohrloch voranschiebt, so gelangt der Kalibrierring 13 irgendwann an das Ende des Loches, wo die Führungsstrahlen 5 und 6 erst ein Loch mit einem relativ kleinen Durchmesser geschnitten haben. An diesem Punkt kann sich der Kalibrierring wegen des umgebenden Gesteins nicht voran bewegen, aber der Rest des Werkzeugs kann sich weiterhin frei nach vorn entgegen der Wirkung entweder der Feder 18 oder der Hydraulikkammer 20 bewegen. Die Konfiguration des Vorspannmittels kann sorgfältig gewählt werden, um die erforderliche Rate der Vorschubbewegung des Werkzeugs relativ zu dem Kalibrierring zu ermöglichen.
-
Wenn sich das Werkzeug relativ zu dem Kalibrierring vorwärts bewegt, so erreicht es die in 4 gezeigte Position, wo alle Räumstrahlen 10, 11 und 12 exponiert sind, wodurch es den Räumstrahlen möglich ist, das Bohrloch zu vergrößern, bis der Durchmesser des Bohrlochs den Durchmesser des Kalibrierrings übersteigt. Der Kalibrierring beginnt dann, sich unter der Vorspannwirkung der Feder 18 oder der Hydraulikkammer 20 bis in die in 2 gezeigte Position, wo der hinterste Räumstrahl 12 durch den Kalibrierring bedeckt oder umschlossen ist, und erforderlichenfalls in die in 3 gezeigte äußerste Position, wo der Kalibrierring vollständig nach vorn geschoben ist und alle Räumstrahlen 10, 11 und 12 bedeckt oder umschließt, nach vorn zu bewegen.
-
Sobald die in 3 gezeigte Position erreicht ist, wird die Wirkung der Führungsstrahlen 5 und 6 erneut dominierend, wodurch sich der rotierende Schneidkopf nach vorn bewegen kann und erneut bewirkt wird, dass der Kalibrierring durch das Bohrloch mit schmalerem Durchmesser behindert wird und sich nach hinten bewegt.
-
Unter mittelschweren Bohrbedingungen sitzt der Kalibrierring wahrscheinlich in einer ausgeglichenen Situation, wie in 2 gezeigt, aber unter leichten Bohrbedingungen bewegt sich der Kalibrierring in der Regel vollständig nach vorn in die in 3 gezeigte Position, wodurch die Führungsstrahlen 5 und 6 die Längung des Loches fortsetzen können, ohne dass die Wirkung der Räumstrahlen bewirkt, dass das Loch einen zu großen Durchmesser bekommt, und die Strömungsrate des Rücklaufwassers, das die Schneidstrahlen mitreißt, reduziert wird.
-
Es ist vorgesehen, dass der Gleit-Kalibrierring unter gleichförmigen Gesteinsbedingungen gut arbeitet, aber in ungleichmäßigen Schichten, wie zum Beispiel, wenn der Schneidkopf an einer Grenzfläche aus Stein und Kohle entlang gleitet, der Kalibrierring durch das härtere Material (den Stein) zurückgeschoben wird und die leichter zu bohrenden Schichten (die Kohle) auf einen zu großen Durchmesser überbohrt oder überräumt werden. Es ist vorgesehen, dass weitere Ausführungsformen dieser Erfindung entwickelt werden können, wobei der Kalibrierring entlang seines Umfangs so segmentiert ist, dass jede Segment unabhängig von benachbarten Segmenten arbeiten kann, um dieses Problem zu überwinden.
-
Auf diese Weise wird ein Fluidbohrkopf bereitgestellt, der es ermöglicht, ein Bohrloch mit viel gleichmäßigerem Durchmesser, als es bisher möglich war, durch Gestein und Kohle oder andere Schichten mit variierenden Dichten zu bohren. Die Verwendung des Gleit-Kalibrierrings beseitigt die Notwendigkeit sehr hoher Zufuhrraten des Bohrfluids und einer übermäßig sorgfältigen Düsenauswahl, was derzeit die einzige Möglichkeit ist zu versuchen, den Bohrlochdurchmesser zu steuern. Durch sorgfältiges Steuern des Bohrlochdurchmessers, wodurch die Rückflussrate des Fluids durch ein laterales Bohrloch hoch gehalten wird, wird der Aufbau eines Bohrsplitterbettes in der Sohle des lateralen Loches verhindert, und der Reibungswiderstand am Schlauch wird verringert. Dies erlaubt das Einbringen von Bohrlöchern auf viel größere Längen, als es bisher mit herkömmlichen Fluidbohrköpfen möglich war.
