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Die Erfindung betrifft ein Ausrichtelement für ein Tiefbohrgerät mit
einem hohlen, einerseits mit einem Bohrmeißel und andererseits mit einem Bohrgestänge
verbindbaren Kernrohr, einem die Bohrrichtung steuernden, kürzer als das Kernrohr
ausgeführten Mantelrohr, das auf dem Kernrohr drehbar und auf diesem in Längsrichtung
verschieblich ist, und einer zwischen Kernrohr und Mantelrohr angeordneten Druckkammer,
deren Druck ein in einer Ausnehmung der Wand des Mantelrohrs radial verschieblich
angebrachtes Ausrichtelement bei ungehinderter axialer Bewegbarkeit des Kernrohrteils
gegen die Bohrlochwandung andrückt und das Mantelrohr in der gewünschten Stellung
relativ zur Bohrlochwandung festlegt.
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Beim Tiefbohren werden üblicherweise auf dem Bohrgestänge oberhalb
des Bohrmeißels Schwerstangen befestigt, um den Bohrmeißel zu beschweren und das
Bohrloch lotrecht zu halten. Das Gewicht und das nahezu volle Kaliber dieser Schwerstangen
trägt dazu bei, das Bohrloch während des Bohrens in vertikaler Richtung zu halten.
Wenn es erforderlich wird, mit der Bohrrichtung von der Vertikalen abzuweichen oder
zur Vertikalen zurückzukehren, muß das Bohrgestänge gezogen und nach Setzen eines
Ablenkkeiles in der gewünschten Ablenkrichtung wieder eingesetzt werden. Beim Weiterbohren
lenkt dann der Ablenkkeil den Bohrmeißel in die gewünschte Richtung. Falls eine
stärkere Ablenkung gewünscht wird, muß erneut ein Ablenkkeil gesetzt werden.
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In Gebieten mit schräg einfallenden Schichten muß das Gewicht der
verwendeten Schwerstangen sorgfältig ausgewählt werden, da bei zu großer Belastung
die Bohrrichtung des Bohrmeißels von der Neigung der Schichten beeinflußt wird.
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Zur Ablenkung der Bohrrichtung ist es ferner bekannt, auf das das
Bohrgestänge mit dem Bohrmeißel verbindende Kernrohr ein buchsenartig ausgebildetes
Mantelrohr aufzusetzen, dessen Enden am Kernrohr abgedichtet sind, so daß eine Druckkammer
gebildet wird, die über eine Öffnung mit einer axialen Bohrung des Kernrohrteils
kommuniziert. Die in der axialen Bohrung strömende Bohrflüssigkeit gelangt in die
Druckkammer und beaufschlagt mit ihrem Druck die Wandung der Kammer, in die Verankerungs-
oder Ausrichtelemente eingesetzt sind, welche durch ein geeignetes dehnbares Material
dichtend mit den Kanten von Ausnehmungen in der Druckkammerwandung verbunden sind
und sich bei Druckbeaufschlagung radial verschieben können.
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Diese bekannten Ausrichtelemente haben am Mantelrohr feste, unveränderbare
Relativstellungen zueinander und können nach eingetretenem Verschleiß nur unter
erheblichem Arbeits- und Zeitaufwand ausgetauscht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ausrichtelement
für ein Tiefbohrgerät der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das rasch ausgewechselt
werden kann und wahlweise in jede Ausnehmung in der Wandung eines Mantelrohrs einsetzbar
ist, um allein oder gemeinsam mit weiteren, im wesentlichen gleich ausgebildeten
Ausrichtelementen eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende Neigung des Mantelrohrs
bewirken zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß das Mantelrohr
mehrere azimutal angeordnete Ausnehmungen mit asymmetrisch zur Mantelrohrachse angebrachten
Ausrichtelementen aufweist, die jeweils ein Halterungsteil mit einer dem Umfang
der Ausnehmung in der Wand des Mantelrohrs dichtend angepaßten Außenwand haben,
wobei ein Ausfahrkolben fest mit der Innenwand des Halterungsteils verbunden ist;
und daß an dem Halterungsteil und an dem Mantelrohr Schultern vorgesehen sind, die
eine Bewegung des Halterungsteils, das bei aus dem Mantelrohr herausgezogenem Kernrohr
von innen her in die Öffnungen des Mantelrohrs einsetzbar oder aus dieser entfernbar
ist, aus dem Mantelrohr heraus verhindern. So können die Ausrichtelemente schnell
in der gewünschten Azimutalstellung um die Achse des Mantelrohrs herum angeordnet
werden, um entweder eine geradlinige Fortsetzung des bestehenden Bohrloches oder
eine Richtungsänderung zu bewirken.
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Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Ausrichtelements an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung eines mit Ausrichtelementen
versehenen Tiefbohrgeräts in seiner Stellung beim Bohren eines zentrischen senkrechten
Bohrloches, F i g. 2 eine teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung des gleichen
Tiefbohrgerätes in einer, bezogen auf das Bohrloch, exzentrischen Stellung zur Verschiebung
der weiteren Bohrrichtung gegenüber der Achse des bisherigen Bohrloches, F i g.
3 eine teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung des gleichen Tiefbohrgerätes in
einer geneigten Stellung, bei welcher das obere Ende der Vorrichtung relativ zum
Bohrloch zentrisch und der untere Teil exzentrisch angeordnet ist, um die weitere
Bohrrichtung gegenüber der Achse des bisherigen Bohrloches zu verändern, F i g.
4 eine teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung des gleichen Tiefbohrgerätes in
einer stärker geneigten Stellung, bei welcher das obere und das untere Ende der
Vorrichtung relativ zur Achse des Bohrloches in entgegengesetzter Richtung exzentrisch
verschoben sind, um die weitere Bohrrichtung von der Achse des bisherigen Bohrloches
abzulenken, F i g. 5 und 6 Längsteilschnitte durch Teile des Tiefbohrgerätes gemäß
F i g. 1 bis 4, F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie 9-9 der F i g. 5, F i g. 8
einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Ausrichtelemente und F
i g. 9 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der F i g. B.
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Die F i g. 1 bis 4 zeigen in einem Bohrloch 10 ein Tiefbohrgerät
12 mit einem an seinem unteren Ende einen Bohrmeißel 16 tragenden
Kernrohr 14, das anseinem oberen Ende an einem Verbindungsstück
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am unteren Ende eines nicht dargestellten, herkömmlichen Bohrgestänges
befestigt ist. Ein über das Kernrohr 14 geschobenes Mantelrohr 18 ist auf diesem
drehbar und verschiebbar gelagert und trägt auf seiner äußeren Umfangsfläche Ausrichtelemente
22.
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In F i g. 1 sind die Ausrichtelemente 22 symmetrisch um das
obere und untere Ende des Mantelrohrs 18 so verteilt, daß dieses im Bohrloch 10
zentrisch ausgerichtet ist. In dieser Stellung erleichtern die ausgefahrenen Ausrichtelemente
22 das Bohren eines geraden Bohrloches.
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In F i g. 2 ist das Mantelrohr 18 im Bohrloch 10
durch
die asymmetrische Stellung der oberen und
unteren Ausrichtelemente
22 in eine exzentrische Stellung verschoben. Durch diese Stellung des Mantelrohrs
18 wird der Bohrmeißel 16 in eine exzentrische Stellung gedrückt und die weitere
Bohrrichtung gegenüber dem bisherigen Bohrloch verschoben.
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In F i g. 3 ist das Mantelrohr 18 an seinem oberen Ende im Bohrloch
10 zentrisch verankert und an seinem unteren Ende durch die asymmetrische Stellung
der unteren Ausrichtelemente 22 exzentrisch verschoben. In dieser Stellung bildet
das Mantelrohr 18 mit der Achse des Bohrloches einen Winkel und lenkt den Bohrmeißel
beim weiteren Bohren auf einem gekrümmten Weg von der bisherigen Bohrachse in der
gewählten Richtung ab.
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In F i g. 4 ist das Mantelrohr 18 durch die asymmetrische Stellung
seiner oberen Ausrichtelemente 22
und die entgegengesetzte asymmetrische Stellung
seiner unteren Ausrichtelemente 22 mit seinem oberen und unteren Ende gegen
die Bohrlochachse in entgegengesetzten Richtungen exzentrisch verlagert und lenkt
beim weiteren Bohren den Bohrmeißel in einer gekrümmten Linie mit geringerem Radius
von der bisherigen Bohrrichtung ab.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die F i g. 2 bis 4 nicht maßstäblich
gezeichnet sind und die Abweichung der Bohrrichtung von der Achse des bisherigen
Bohrlochs 10 zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt sind.
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Oberhalb des Mantelrohrs kann eine relativ zum Kernrohr 14 konzentrische
Stabilisiervorrichtung angeordnet sein, um das Kernrohr 14 oberhalb des Mantelrohrs
18 zu zentrieren.
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In den F i g. 5 und 6 ist das Mantelrohr 18 genauer dargestellt. Das
über das Kernrohr 14 geschobene Mantelrohr 18 ist dabei auf dem ersteren sowohl
drehbar als auch axial verschiebbar, sofern es nicht durch die Verriegelungsvorrichtung
20 festgelegt ist. Zwischen dem Kernrohr 14 und dem Mantelrohr
18
wird durch an dessen Enden angeordnete Dichtvorrichtungen 30 eine
Druckkammer 28 gebildet.
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Das Mantelrohr 18 ist in bestimmten Längsabständen in radialer Richtung
auf dem Kernrohr 14 durch ringförmig angeordnete elastische Lager 40 gelagert,
die eine Flüssigkeitszirkulation zwischen den aufein- , andergleitenden Flächen
gestatten.
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Durch eine Öffnung 42 im Kernrohr 14 kann die Bohrflüssigkeit aus
dem Innenraum des Kernrohrs 14 in die Druckkammer 28 gelangen. Die Öffnung 42 ist
so angeordnet, daß sie in allen durch axiale Verschiebung des Mantelrohrs
18 relativ zum Kernrohr 14
entstehenden Stellungen mit der Druckkammer
28
verbunden ist.
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Die in den F i g. 1 bis 6 gezeigten Ausrichtelemente 22 besitzen
einen mittel druckbetätigter Ausfahrteile 46 in den Wandungen des Mantelrohrs
18 gegen die Bohrlochwandung ausfahrbaren Halterungsschuh 44. Der Flüssigkeitsdruck
in der Druckkammer 28 kann unabhängig auf jedes Ausfahrteil 46 wirken und den zugehörigen
Halterungsschuh 44 gegen die Wandung des Bohrloches 10 andrücken. Dabei können
die verschiedenen Ausfahrteile 46 ohne das bei Gleitkolben auftretende Verklemmen
und Festfressen verschieden weit ausgefahren werden, um die Halterungsschuhe
44 an der Bohrlochwandung anzulegen. Die Ausfahrteile 46 für verschiedene
Formen von Ausrichtelementen 22 sind weiter unten im einzelnen beschrieben. Wenn
das Tiefbohrgerät in der in F i g. 1 dargestellten Weise zum hydraulischen Zentrieren
benutzt werden soll, können die Ausrichtelemente 22 durch Erhöhung des hydraulischen
Druckes der Bohrflüssigkeit gegen die Bohrlochwandung ausgefahren werden. Da die
Ausrichtelemente um die Achse des Bohrloches angeordnet sind, wird das Bohrgestänge
zentriert.
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Am Ende eines Bohrhubs wird der Bohrmeißel angehoben. Anschließend
wird der hydraulische Druck gesenkt, um die Ausrichtelemente 22 zurückzuziehen.
Dann wird die gesamte Vorrichtung in ihre neue Ausgangsstellung abgesenkt und die
Arbeitsfolge wiederholt. Das Ziehen des Bohrgerätes aus dem Bohrloch erfolgt auf
ähnliche Weise.
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Wenn beim Tiefbohren der Bohrmeißel von der bisherigen Bohrachse abgelenkt
werden soll, um eine Querabweichung zu korrigieren, die senkrechte Bohrrichtung
wiederherzustellen oder absichtlich von der vertikalen Bohrrichtung in einer bestimmten
Richtung abzuweichen, kann das erfindungsgemäße Tiefbohrgerät in der in den F i
g. 2 bis 4 dargestellten Weise benutzt werden. In diesem Fall wird die Vorrichtung
mit zurückgezogenen Ausrichtelementen 22 in das Bohrloch eingesenkt. Dann wird das
Bohrgestänge so weit gedreht, bis das Mantelrohr 18 die gewünschte Azimutalstellung
einnimmt. Dies kann nach beliebigen bekannten Verfahren unter Verwendung der gewünschten
Anzeigegeräte überprüft werden. Wenn das Mantelrohr 18 sich in der gewünschten
Stellung befindet, wird der Flüssigkeitsdruck in der Druckkarrimer 28 erhöht,
um die asymmetrisch angeordneten Ausrichtelemente 22 auszufahren und das Mantelrohr
18 in der gewünschten Stellung an der Bohrlochwand zu verankern, so daß der Bohrmeißel
in der gewünschten Richtung abgelenkt wird.
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In F i g. 7 ist eines der auf Druck ansprechenden Ausfahrteile 46
der in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausrichtelemente 22 wiedergegeben. Bei dieser
Ausführungsform besitzt das Ausfahrteil46 kreisförmigen Querschnitt und ist in einer
entsprechenden, mit Schultern versehenen Ausnehmung 76 in der Wandung des Mantelrohrs
18 gelagert. Das Ausfahrteil 46 hat an seinem äußeren Rand einen mit einer Schulter
versehenen Halterungsteil78, der mit seiner Schulter an der Schulter der Ausnehmung
76 anliegt. Im Halterungsteil 78 ist ein Ausfahrkolben 80 mit gegenüber dem
Innendurchmesser des Halterungsteiles 78 geringerem Außendurchmesser zentrisch angeordnet.
Der Ringraum zwischen dem Ausfahrkolben 80 und dem Halterungsteil 78 ist durch ein
mit diesen verbundenes Dehnelement 82 ausgefüllt. Das Dehnelement 82 kann
beispielsweise aus auf den Ausfahrkolben 80 und das Halterungsteil 78 aufvulkanisiertem
Gummi oder äquivalenten Mitteln bestehen. Eine elastische Dichtkante 84,
welche Teil des Dehnelements 82 sein kann, ergibt eine Flüssigkeitsdichtung zwischen
dem Halterungsteil78 und der Ausnehmung 76. Der in der Druckkammer 28 herrschende
Druck drückt dann das Halterungsteil78 dichtend an die Schulter der Ausnehmung 76
an.
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In den Ausfahrkolben 80 ist ein Bolzen 86 eingeschraubt,
der außen mit einem Halterungsschuh 44 verschraubt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform
wurde der Bolzen 86 in den Ausfahrkolben 80
eingeschraubt und dann
verschweißt. Ein Teil der zum Einschrauben des Bolzens 86 dienenden Bohrung ist
aufgebohrt, damit der Halterungsschuh 44
durch die Spannungselastizität
des Bolzens 86 dicht an den Ausfahrkolben 80 angezogen wird.
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Zum Einbau der in F i g. 7 dargestellten Ausfahrvorrichtung wird diese
zunächst vom Inneren des Mantelrohrs 18 in die Ausnehmung 76 eingeführt
und zum Verschrauben mit dem Halterungsschuh 44 als Ganzes gedreht. Eine
feste Anlage zwischen dem Ausfahrkolben 80 und dem Halterungsschuh
44 wird durch die Hebelwirkung eines in eine achteckige Ausnehmung im Bolzen
86 eingeführten Schlüssels bewirkt.
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In den F i g. 7 bis 9 sind gleichartige Elemente der verschiedenen
Ausführungsformen der Ausrichtelemente 22 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine weitere Ausführungsform für in einem Tiefbohrgerät der in F i
g. 6 dargestellten Art verwendbare Ausrichtelemente 22 ist in den F i g.
8 und 9 dargestellt. Wie die F i g. 8 und 9 zeigen, hat die Ausnehmung 76 im Mantelrohr
18 eine zu dessen Achse parallel ausgerichtete, langgestreckte Form. Am Umfang der
Ausnehmung 76 ist eine umlaufende Schulter der in F i g. 7 dargestellten Art vorgesehen,
gegen welche sich das der inneren Umfangsform der Ausnehmung 76 entsprechende Halterungsteil
78 anlehnt. Die Schulter erstreckt sich jedoch zweckmäßig nur über die Langseiten,
nicht aber über die Endteile der Ausnehmung 76. Der Ausfahrkolben
80 ist länglich ausgebildet und im Querschnitt U-förmig. Er entspricht mit
entsprechend geringeren Abmessungen der langgestreckten Form der Ausnehmung 76 und
ist mit einem Dehnelement 82 versehen. Eine Dichtkante 84 sorgt für einen
flüssigkeitsdichten Abschluß zwischen dem Halterungsteil 78 und dem Rand
der Ausnehmung 76.
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Durch die auf der Außenfläche des in F i g. 8 dargestellten Ausfahrkolbens
80 angeordneten Zähne wird der Halterungsschuh 44 mit dem Ausfahrkolben
80 zum Ausrichtelement 22 kombiniert. Zum Einbau wird das Ausrichtelement
22 mit seinem Halterungsteil78 von innen in die Öffnung des Mantelrohrs
18 und auf die Schulter der Ausnehmung 76
aufgelegt. Das anschließend
eingeführte Kernrohr 14
verhindert eine Rückwärtsbewegung des Ausrichtelementes
22.
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Das in den F i g. 8 und 9 dargestellte Ausrichtelement 22 kann
in der Draufsicht auf die Außenfläche des Ausfahrkolbens 80 entweder eine
langgestreckt rechteckige Form besitzen oder an seinen Enden halbkreisförmig abgerundet
sein.
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Das elastische Material des Dehnelements 82 kann sowohl das hohle
Innenteil des Ausfahrkolbens 80
ausfüllen, als auch dessen Stirnfläche überziehen,
wobei die darauf angeordneten Zähne durch die überzugsschicht hindurchragen.
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Das elastische Material des Dehnelements, beispielsweise Gummi, erstreckt
sich auch in den Zwischenraum zwischen dem Halterungsteil78 und dem Rand der Ausnehmung
76, so daß das Halterungsteil 78
keiner sorgfältigen Bearbeitung zum
Einpassen in die Ausnehmung 76 bedarf, da das geformte elastische Material den Zwischenraum
ausfüllt. Weitere Ersparnisse bei der Bearbeitung werden durch den Wegfall der Schulter
am Ende der Ausnehmung 76 erzielt, obgleich dadurch der Halt für das Halterungsteil78
etwas verringert wird. Die Schulter kann am Rand der Ausnehmung 76 auch umlaufend
angebracht sein.
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Hervorzuheben ist, daß die durch den hydraulischen Druck in der Druckkammer
28 ausfahrbaren Ausrichtelemente 22 auf verschiedenen Seiten verschieden
weit und/oder parallel oder geneigt zur Achse des Mantelrohrs 18 gegen die gegenüberliegende
Wand des Bohrloches ausgefahren werden können. Die Ausrichtelemente 22 arbeiten
in allen diesen Fällen mit gleicher Zuverlässigkeit. Bei der dargestellten Ausführungsform
der Ausrichtelemente 22
können diese ohne Metallreibungskontakt mehrfach ein-
und ausgefahren werden. Dies ist für den Betrieb in den abriebwirksamen Bohrflüssigkeiten
von großer Bedeutung.
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Es ist zweckmäßig, die Ausrichtelemente 22 in der in den F i g. 1
bis 5 dargestellten Weise für die verschiedenen Anforderungen an das Tiefbohrgerät12
an verschiedenen Stellen des Mantelrohrs 18 anzuordnen. Es ist daher eine
einfache Ein- und Ausbaubarkeit der Ausrichtelemente 22 möglich, so daß die Ausrichtelemente
22 jeweils nach Bedarf an den notwendigen Stellen eingesetzt oder entfernt und die
nicht durch Ausrichtelemente 22 besetzten Ausnehmungen 78 am Mantelrohr
18 durch geeignete, nicht dargestellte Verschlußplatten verschlossen werden
können, die in ihrer äußeren Form den Halterungsteilen 78 entsprechen und ebenfalls
leicht ein- und ausbaubar sind.
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Die Halterungsteile und die Ausfahrkolben der Befestigungsschuhe bestehen
zweckmäßig aus einem leicht bohrbaren Material, beispielsweise Bronze oder Aluminium,
so daß ein im Bohrloch verlorener Halterungsschuh vom Bohrmeißel leicht aufgebohrt
und die Reste mit dem Bohrschlamm weggeführt werden können.