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Ablenkwerkzeug für Tiefbohrungen Die Erfindung bezieht sich auf ein
Ablenkwerkzeug für Tiefbohrungen mit zwei in Längsrichtung sich erstreckenden Rohren,
welche an ihren benachbarten Enden mittels eines Gelenkes verbunden sind, das von
zwei einander gegenüberliegenden Nocken eines dieser beiden Rohre gebildet wird,
wobei diese Nocken in entsprechend geformte, jedoch etwas größere Aussparungen in
dem anderen Rohr eingreifen.
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Bekannt sind flexible Bohrgestänge, bei welchen die Auslenkung so
bewirkt wird, daß das Bohrgestänge längs einer geneigten Fläche eines zapfenförmigen
Gliedes geführt und dabei nach außen bewegt wird.
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Es ist ferner ein Kardangelenk nicht mehr neu, welches eine begrenzte
Bewegung in einer jeden beliebigen Richtung zuläßt.
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Bei den üblichen Verfahrensweisen der Durchführung von Bohrarbeiten
werden gewöhnlich Ablenkwerkzeuge verwendet mit dem Zweck, vorbestimmte Winkelverschiebungen
der unteren Bohrelemente des Bohrgestänges in Zwischenstufen des Bohrvorganges zu
bewirken. Diese Bohrarbeiten werden gewöhnlich ausgeführt, um einen vorbestimmten
Wechsel der Bohrrichtung durchzuführen, und dieser Wechsel wird üblicherweise dadurch
verwirklicht, daß das Bohrgestänge aus dem Bohrloch entfernt wird, wobei ein Ablenkwerkzeug
genau über den unteren Bohrelementen eingesetzt wird. Anschließend daran wird das
Bohrgestänge in das Bohrloch wieder eingeführt, und wenn der Meißel gegen den Grund
des Bohrloches anstößt, bewirkt das auf diesen wirkende Gewicht oder aber eine Druckkraft
ein seitliches Auslenken in dem Bohrloch, was einen vorbestimmten Wechsel des Winkels
des Meißels in bezug auf den oberen Teil des Bohrgestänges zur Folge hat.
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Bei den gerichteten Bohrarbeiten, bei welchen als Antrieb eine Bohrturbine
verwendet wird, begegnet man zahlreichen Problemen. Um beispielsweise das seitliche
Auslenken einzuleiten, wurden bislang Ablenkwerkzeuge u. dgl. verwendet, welche
oberhalb der Bohrturbine angeordnet sind. Derartige Werkzeuge haben jedoch das Bestreben,
sich in das Gestein einzufressen, und zwar insbesondere dann, wenn dieses sehr weich
ist. Dies ist auch dann der Fall, wenn Keile oder stabilisierende Glieder zur Anwendung
gelangen, welche des öfteren benutzt werden, um das Auslenken in dem Augenblick
einzuleiten, in welchem der Meißel gegen den Grund des Bohrloches aufläuft. Ein
weiteres Problem, welches bei der Verwendung eines Ablenkwerkzeuges in Verbindung
mit einer Bohrturbine auftritt, besteht darin, den erforderlichen ununterbrochenen
Strom der Flüssigkeit durch das Gerät hindurch zu sichern, welch letzteres die unter
hohem Druck stehende Flüssigkeit zum Antrieb der Turbine leitet. Die Verwendung
der gegenwärtig bekannten Ablenkwerkzeuge, welche den erforderlichen Bohrlochdurchmesser
sichern, und zwar insbesondere nach erfolgter Auslenkung, ist mit großen Schwierigkeiten
verbunden, da sehr oft gerade im Auslenkpunkt das gebildete Gelenk entweder durch
den Flüssigkeitskanal hindurchgeht und diesen teilweise versperrt oder aber die
lösbaren Elemente, welche die Leitung in dem Auslenkpunkt bilden, das Bestreben
zeigen, den Durchmesser des Durchganges nach dem Auslenken zu verkleinern. Das letztere
Problem ist insbesondere akut bei Bohrturbinen, bei welchen der Wirkungsgrad in
hohem Maße von der Kapazität derjenigen Flüssigkeit abhängt, welche in diese Einheit
einströmt, und es ist wichtig, daß der Flüssigkeitsstrom an keiner Stelle eingeschnürt
und damit der Durchsatz verringert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein verbessertes Ablenkwerkzeug
zu schaffen, welches so ausgestaltet ist, daß eine zuverlässige und genaue Verschiebung
der unteren Bohrelemente eines Bohrgestänges zur Durchführung von gerichteten Bohrarbeiten
gewährleistetist.
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Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß zum Zwecke des- gelenkigen,
-Auslenkens des unteren Rohres als Folge des von dem darüber liegenden Rohr ausgeübten
axialen Druckes der Endteil eines der beiden Rohre auf einer Seite der Achse des
Gelenkes unterschnitten ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die sich aneinanderlegenden
Teile der Rohre
aus einem an dem Ende des einen Rohres angeordneten
Ansatz und einer in dem benachbarten Ende des anderen Rohres eingearbeiteten Keil,
wobei die Spitze des Ansatzes gehärtet ist.
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Eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend an
Hand der Zeichnung ausführlicher erläutert. In dieser zeigt in rein schematischer
Weise F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch das erfindungsgemäße auslenkbare
Gerät, F i g. 2 eine Seitenansicht bzw. einen Schnitt eines Teiles des erfindungsgemäßen
Gerätes nach F i g. 1, F i g. 3 eine weitere Seitenansicht in vergrößertem Maßstab
der Anordnung gemäß F i g. 2, F i g. 4 eine Seitenansicht des mit dem Gerät gemäß
der Erfindung ausgerüsteten Bohrgestänges in der Betriebsstellung beim Richtbohren,
F i g. 5 einen waagerechten Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4.
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Die F i g. 1 und 4 zeigen in beispielsweiser Form ein Bohrgestänge
1 im Bohrloch W. Die unteren Elemente des Gestänges weisen nachfolgend gelenkige
Teile 3 zur Verbindung des Bohrgestänges mit einer Bohrturbine T sowie mit einem
Meißel 4
auf. üblicherweise werden die Bohrarbeiten ohne die gelenkigen Teile
3 ausgeführt, wobei die Bohrturbine T mit dem Gestänge 1 unmittelbar verbunden
ist. Obgleich die gelenkigen Teile 3 gemäß der Erfindung der Durchführung verschiedener
Bohrarbeiten angepaßt werden können, ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
zur Verwendung bei Turbo-Bohrarbeiten gedacht. Die mit T bezeichnete Bohrturbine
besteht aus einem gemeinsamen Außengehäuse 5, welches einen Turbinenteil sowie einen
unteren Lagerteil umschließt, welch letzterer mit dem Meißel 4 verbunden ist. Zum
Verständnis der Betriebsweise einer Bohrturbine in Verbindung mit dem Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, genügt es zu beachten, daß eine ausreichende Spülungsmenge
der Turbine zugeführt werden muß, damit ein wirksamer Betrieb gewährleistet ist.
überdies ist wesentlich, daß das Bohrgestänge keineswegs Drehbewegungen vollführt,
sondern vielmehr lediglich die innere Turbinenwelle oder der Rotor. Wie bereits
erwähnt, kann das Problem der Zuführung einer ausreichenden Flüssigkeitsmenge insbesondere
bei gerichteten Bohrarbeiten akut werden, wo der die Flüssigkeit leitende Teil winkelförmig
abgeknickt sein muß derart, daß eine Einschnürung des Durchtrittes erfolgt, was
eine Herabsetzung des Flüssigkeitsdurchsatzes zur Folge hat. Wie noch im einzelnen
zu erläutern sein wird, verhindert der gelenkige Teil gemäß der Erfindung diese
Schwierigkeit, so daß es sehr wünschenswert ist, diesen gelenkigen Teil im Zusammenhang
mit Turbo-Bohrarbeiten zu verwenden.
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Bei Richtbohrarbeiten wird das anfängliche Geradbohren im allgemeinen
ohne das gelenkige Teil ausgeführt, und zwar so lange, bis ein mittlerer Punkt der
Bohrarbeiten erreicht wird, wo es erforderlich ist, den Meißel im Winkel zu verschieben
und die Bohrarbeiten unter einem von dem normalen Bohrwinkel abweichenden Winkel
fortzusetzen. In diesem Falle können das Bohrgestänge zusammen mit der Bohrturbine
sowie mit dem Meißel aus dem Bohrloch entfernt und der gelenkige Teil 3 vorzugsweise
zwischen die Bohrturbine T und das untere Ende des Gestänges 1 eingesetzt
werden. Das Gestänge und die damit verbundenen Teile können dann wieder in das Bohrloch
eingeführt werden, wobei darauf hinzuweisen ist, daß das Gelenkteil 3 (F i g. 1)
mit Bezug auf den Rest der Elemente koaxial aufgehängt ist und keinerlei seitliche
Vorsprünge u. dgl. aufweist. Zusätzlich muß das Gelenk selbstverständlich kräftig
gebaut sein, um die unteren Elemente zu halten und gleichzeitig auch einen ungehinderten
Durchtritt der Flüssigkeit auch in der Winkelstellung des Gelenkteiles
3 zu gewährleisten. Zu diesem Zwecke weist das Gelenkteil 3 in seinem oberen
Teil eine dickwandige Rohrverbindung 6 auf, welche mit einem Muttergewinde
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zur Verbindung mit dem unteren Ende des Bohrgestänges 1 versehen
ist. Am unteren Ende des Werkzeuges ist eine Rohrverbindung 9 mit einem Gewindezapfen
10 zum Zwecke der Verbindung mit der Bohrturbine T vorgesehen. Die Rohrverbindungen
6 und 9 können der üblichen Bauart sein, sofern sie geeignet sind,
an den betreffenden Punkten des Gestänges eingeschaltet zu werden. Die Verbindungen
verjüngen sich an ihren inneren Enden 12, und zwar zur Aufnahme von zwei
dickwandigen rohrförmigen Teilen mit einem oberen Rohrteil 14, welcher das
innere Ende der Verbindung 6 umgreift und zusammen mit einem Ansatz 13 einen
Anschlag bildet, wobei ferner ein unterer rohrförmiger Teil 15
vorgesehen
ist, welcher das innere Ende der unteren Verbindung 9 umfaßt und sich gegen
diese mit einem ähnlich geformten Ansatz 13 anlegt. Dabei ist zu beachten,
daß die Außenflächen der rohrförmigen Teile 14 und 15 sowie die Kupplungsglieder
so be-
messen sind, daß eine kontinuierliche zylindrische Außenfläche gebildet
wird, wobei an den Berührungsstellen mit den Ansätzen V-förmige Ringnuten
16 zur Aufnahme einer Schweißnaht vorgesehen sind, damit ein glatter Übergang
erreicht wird.
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Um eine winkelförmige Verschiebung der unteren Bohrelemente einschließlich
der Bohrturbine T sowie des Meißels 4 zu erreichen, sind die angrenzenden
Berührungsenden der rohrförmigen Teile 14 und 15
mit Gliedern in Form
von Gelenkverbindungen ausgestattet, welche zusammen mit den benachbarten Enden
gebildet werden, derart, daß eine nach oben und nach der Seite gerichtete Bewegung
der unteren Bohrelemente in bezug auf das obere Bohrgestänge gewährleistet ist,
und zwar bei Anwendung von Gewichts- oder Druckkräften, welche derart wirken, daß
die beiden Enden miteinander zur Anlage gebracht werden. Dies wird durch .nach oben
divergierende Nocken 17 erreicht, welche über das benachbarte untere Ende
18 vorstehen, wobei ein jeder Nocken eine halsförmige Einschnürung
20 und einen erweiterten Kopfteil 21 zeigt. Wie die F i g. 2 und 3
im einzelnen zeigen, weist ein jeder Kopfteil 21 eine gewölbte Außenfläche
22 auf, welche dem Umriß der Außenwand des unteren rohrförmigen Teiles und im allgemeinen
einer kreisförmigen Außenfläche 23 entspricht. Umgekehrt ist das benachbarte
Ende 25 des oberen rohrförmigen Teiles 14 mit ent-
sprechend geformten,
die Nocken aufnehmenden Einbuchtungen 26 versehen, welche in ähnlicher Weise
diametral gegenüberstehend in der Außenwandung angeordnet sind, welche sich an den
oberen Teil 25 anschließt. Eine jede dieser Einbuchtungen 26 verjüngt
sich im unteren Teil zu einer Einschnürung 27, welche so ausgebildet ist, daß sie
sich dicht an den Kopfteil 21 anlegt, und zwar gerade an
derjenigen
Stelle, an welcher sich die Einschnürung 20 erweitert. Eine jede Einschnürung wird
im allgemeinen kreisförmig ausgeführt, um der Form der an der Peripherie liegenden
Flächen 23 des Kopfteiles 21 zu entsprechen. Dabei ist zu erwähnen,
daß bei der Ausgestaltung der Gelenkverbindung die beiden Teile 14 und
15 anfänglich ein einziges Rohrstück bilden, wobei der zwischen den Enden
befindliche Zwischenraum einschließlich des im folgenden beschriebenen, welcher
die beiden Abschnitte bildet, durch Brennschneiden u. dgl. gebildet wird. Wie ohne
weiteres ersichtlich, erfolgt die Verbindung der Nocken mit Hilfe der konvergierenden
Einschnürung 27.
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Um eine Bewegung nach oben sowie der Seite nach der unteren Bohrelemente
in bezug auf den oberen Bohrgestängeteil zu ermöglichen, weist das untere benachbarte
Ende eine Zunge oder einen Ansatz auf, welcher über das Ende der Fläche an einer
in der Mitte zwischen den Nocken 17 liegenden Stelle oder in bezug auf diese
Nocken 17 um 90° versetzt, hinausragt. Umgekehrt ist an dem oberen Endteil
25 an einer entsprechenden Stelle eine erweiterte Nut 32 vorgesehen
und zur Herstellung des Kontaktes zwischen dem oberen Rand des Ansatzes
30 und der Keilnut 32 im Falle der koaxialen Aufhängung des Gelenkteiles
in bezug auf das Bohrgestänge, ist an der oberen Fläche des Ansatzes 30 eine
gehärtete Metallspitze 33 angeordnet. Wie noch im einzelnen zu erläutern
sein wird, wirkt dieser gehärtete Teil 33 als Drehpunkt, derart, daß eine
Winkelstellung der Bohrelemente erzwungen wird. Hierbei ist der obere Endteil der
Grundfläche der Keilnut 32 nach oben zu geneigt ausgeführt, und zwar unter einem
bestimmten Winkel, bezogen auf die Längsachse des rohrförmigen Teiles
14, derart, daß ein Zwischenraum mit abgesetzten Enden 34
entsteht.
In ähnlicher Weise sind die den Nocken aufnehmenden Aussparungen 26 geringfügig
verbreitert, so daß ein annähernd winkelförmiger Zwischenraum oberhalb der Kopfteile
21 entsteht, derart, daß die Köpfe nach oben zu bewegt werden können, und
zwar in eine Lage, in welcher sie an der Oberfläche der Aussparung 26 anschlagen.
Zusätzlich besteht ein Zwischenraum zwischen den vorne konvergierenden Seiten der
Nuten 27 und dem vorderen Rand der Einschnürung 20, wobei der Zwischenraum
so bemessen ist, daß beim Kippen des gelenkigen Teiles eine Winkelbewegung des unteren
angrenzenden Endes möglich ist. Durch den immer größer werdenden Zwischenraum zwischen
den benachbarten Enden der Rückseite des Drehpunktes und der Vorderseite ist die
Anwendung lediglich einer gegen die Enden gerichteten Druckkraft oder einer Gewichtskraft
erforderlich, derart, daß der untere benachbarte Teil 18 nach oben und nach
der Seite zu in eine Lage gezwungen wird, in welcher dieser Teil gegen das obere
Ende 25 anschlägt, wobei die gehärtete Metallfläche 33 als Drehpunkt
für diese seitliche Bewegung dient. Darüber hinaus folgen die Nocken 17 der Bewegung
der unteren Endteile, derart, daß sie auf den Flächen der Ausnehmungen satt aufliegen,
wodurch die auf das Gelenkteil wirkenden Spannungen während der nachfolgenden gerichteten
Bohrarbeiten gleichmäßig verteilt werden.
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Ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist in der Art
und Weise zu erblicken, in welcher die Nocken 17 geformt sind, so daß die
gesamte innere Bohrung der rohrförmigen Teile als Flüssigkeitsleitungen verwendet
werden können. Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird die Flüssigkeitsleitung
von einem flexiblen, verstärkten Schlauch 38 gebildet, dessen beiden inneren
Enden von den Rohrverbindungen 6 und 9 mit Hilfe von ähnlich gestalteten Schlau"hkupplungen
40 gehalten werden. Die obere Schlauchkupplung 40 ist in der Verbindung
6 mit Hilfe eines Nippels 42 befestigt, welcher einen hohlen Stopfen
43 mit einem Außengewinde zeigt. Dieser Stopfen 43
wird mit der Verbindung
6 verschraubt.. Der sich nach unten zu erstreckende Schraubteil
44 ist so ausgebildet, daß er in das Ende des Schlauches eingeführt werden
kann, nachdem die mit Rippen versehene Muffe 45 mit dem äußeren Teil des
Schlauches verbunden worden ist. Der Nippel hat an seiner Außenfläche ein Rechtsgewinde,
welches nach Einschrauben des Nippels durch die Muffe 45 hindurch bewirkt,
daß die Endteile des Schlauches von den gerippten Teilen der Muffe abdichtend erfaßt
werden.
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Obgleich die obere Schlauchkupplung 40 den Schlauch mit der
Verbindung 6 fest verbindet, ist die untere Kupplung 40 innerhalb der Verbindung
9 angeordnet und innerhalb der Verbindung gleitend gelagert Auf diese Weise ist
im Falle der Auslenkung des Gelenkes eine Bewegung des Schlauches nach oben möglich,
ohne daß der Schlauch unter Spannung gesetzt wird. Zu diesem Zwecke ist die untere
Verbindung gleich der oberen Verbindung, mit der Ausnahme, daß der Nippel 42' kein
Außengewinde aufweist, sondern vielmehr eine glatte Oberfläche zeigt und sich nach
unten zu längs der. Aussparung -des Gewindestutzens in Form eines Stutzens
48 erstreckt, so daß eine gleitende Bewegung möglich ist. Ein Dichtring
49 ist auf dem Stutzen 48 zusammen mit einem Sprengring
50 vorgesehen, welch letzterer mit dem unteren Ende des Stutzens verbunden
ist und sich gegen die Schulter 51 des Gewindezapfens 10 anlegt. Auf
diese Weise wird ein ungewolltes Zusammendrücken des Schlauches beim Auftreten eines
von dem hohen Druck der Flüssigkeit hervorgerufenen Rückdruckes verhindert.
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Wird angenommen, daß die geraden Bohrarbeiten durchgeführt worden
sind, und daß das Bohrgestänge zusammen mit dem angefügten Gelenk 3 sowie
den unteren Bohrelementen auf die Sohle des Bohrloches herabgelassen worden sind,
ist es selbstverständlich erforderlich, das Gelenk 3 zum Zwecke der Verschiebung
in die gewünschte Richtung einzurichten. Nach der herkömmlichen Praxis wird ein
Meßgerät (in der Zeichnung nicht dargestellt) auf die Sohle des Bohrloches herabgelassen,
um die den Azimuth der auslenkenden Elemente in bezug auf das Bohrloch mit Hilfe
von an sich bekannten Methoden der Bohrlochorientierung festzulegen.
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rfindungsgemäß kann der gehärtete Metallteil 33
einen Magnet
bilden, welcher in einer an sich bekannten Beziehung zu dem ausknickenden Gelenk
steht, wenn dieses zur Verhinderung einer Drehbewegung mit dem Bohrgestänge verriegelt
wird. Das Beobachtungsgerät wird dann in Betrieb gesetzt und die Meßergebnisse im
Anschluß daran geprüft, so daß die Kompaßlage der ausknickenden Elemente schnell
bestimmt werden kann, nachdem das Werkzeug in das Bohrloch eingeführt worden ist.
Auf
Grund der Ablesung kann das ausknickende Werkzeug in Drehung
versetzt werden, so daß die unteren Bohrelemente im Bohrloch orientiert werden können.
Da der Meißel auf der Sohle des Bohrloches aufsitzt, bewirkt das Gewicht des Bohrgestänges,
daß die Nocken 21 zusammen mit dem unteren Ende 18 nach oben und in
eine Winkelstellung bewegt werden, derart, daß sie in eine Anschlagslage bezüglich
der Einbuchtungen 26 bzw. des oberen Teiles 25 gelangen. Selbstverständlich
kann das Ausmaß der Winkelstellung der unteren Bohrelemente in Bezug auf das Bohrgestänge
durch die Weite oder durch den Winkel der zwischen den angrenzenden Enden gebildeten
Aussparung 34 geregelt werden. Während der nachfolgenden Bohrarbeiten wird
das Gelenk beim Eindringen des Meißels 4 in das Gestein in dieser Winkelstellung
verbleiben, und zwar auf Grund des Gewichtes des Bohrgestänges.
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Nach einer etwa abgewandelten Ausführungsform, wie sie in den F i
g. 4 und 5 gezeigt wird, ist das Gelenk zur Verwendung beim Richtbohren mit Zentrierelementen
55 ausgerüstet, welch letztere seitlich aus der vorderen Fläche des unteren rohrförmigen
Teiles 15 hinausragen.
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Wie aus F i g. 5 der Zeichnung ersichtlich, können die seitlichen
Vorsprünge 55 flügelförmig ausgestaltet sein, wobei zwischen den Flügeln
genügend große Zwischenräume vorhanden sind. Diese Flügel stehen seitlich von der
Fläche des Gelenkes in ausreichendem Maße ab, damit das Werkzeug in geringem Maße
außermittig liegt, da anderenfalls die angrenzenden Endteile 18 und
25 gezwungen sein würden, nach innen einzubiegen, wenn das Gewicht des Bohrgestänges
an dem Gelenk angreift. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß es keineswegs
erforderlich ist, die Flügel nach außen in einen Abstand zu führen, welcher viel
größer als die seitliche Ausdehnung des Bohrmeißels ist, da es lediglich erforderlich
ist, ein übermäßiges Ausbiegen des rohrförmigen Teiles in Richtung der Wandung des
Bohrloches zu verhindern. Hierdurch besteht lediglich geringe Gefahr, daß das Werkzeug
in dem Gestein stecken bleibt.