DE1533607C3 - Erdbohrverfahren und Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Erdbohrungen unter Verwendung von periodischen Druckänderungen in der Spülflüssigkeit, bei dem eine am unteren Ende des Bohrstranges sitzende Bohrkrone zur Ausübung einer auf die zu durchbohrende Erdformation an der Bohrlochsohle

wirkenden Kraft belastet wird und bei dem von der Erdoberfläche aus der Bohrstrang mit der Bohrkrone in Drehung versetzt und Spülflüssigkeit zwischen der, Bohrlochsohle und der Erdoberfläche umgewälzt wird und bei dem die Druckänderungen im Bereich der Bohrkrone erzeugt werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bisher war man bei Vibrationsbohrgeräten vorwie-

gehend weiterzubilden, daß sich in der Spülflüssigkeit an der Bohrlochsohle mit Hilfe eines direkt angekoppelten Schwingungsgenerators erzeugte Druckänderungen zur Erhöhung der Vortriebsgeschwindigkeit bei dem üblichen Rotary-Verfahren ausnutzen lassen, da solche Druckänderungen verhältnismäßig große Amplituden besitzen und in Amplitude und Frequenz optimal steuerbar sind.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch ge

wendung dieser Geräte treten als Nebenwirkung Druckänderungen in der Bohrflüssigkeit auf, die sich mit Bezug auf die Bohr-Vortriebsgeschwindigkeit nachteilig auswirken.

Aus der ,ÜSA.-Patentschrift .25 54 005 ist es. bekannt,, in einer, elastischen: Stange eine stehende Welle zu erzeugen,, die aus einer oder mehreren Schwerstangen oder aus dem gesamten Bohrstrang bestehen.

gend bemüht, im Bohrstrang oder in der Bohrkrone io.löst, daß der Druck der die Bohrkrone umgebenden selbst elastische Schwingungen zu erzeugen.. Bei An-. Spülflüssigkeit periodischen Schwankungen um seinen

Durchschnittswert unterworfen wird, wobei der Bohrstrang von den die Druckschwankungen erzeugenden Vorrichtungen schwingungsmäßig isoliert bleibt. Auf Grund der direkt in der Spülflüssigkeit innerhalb des die Bohrkrone umgebenden Hohlraums erzeugten Druckänderungen wird die Bohrkrone bei den periodischen Druckminderungen und bei dem sich daraus, ergebenden Saugeffekt kraftvoll in die

Dadurch_: schwingt die am unteren Ende der elasti- 20 Bohrlochsohle hineingezogen. Die Minderung des sehen Stange sitzende Bohrkrone in Längsrichtung unterhalb der Bohrkrone herrschenden Flüssigkeitsmit und schlägt auf die Bohrlochsohle. Wenn die auf . druckes verringert die auf den Bohrstrang nach oben die Bohrlochsohle ausgeübte Bohrkraft ,ihren Maxi- gerichtete Kraft, so daß. ein größerer" Gewichtsanteil malwert erreicht, befindet sich wegen der Abwärts- auf die Bohrkrone bzw. auf die Bohrlochsohle wirkt, bewegung der Bohrkrone der dort herrschende Druck 25 Darüber hinaus wird bei der periodischen Druckebenfalls. auf einem Maximalwert, und. zwar insbe- minderung an der Bohrlochsohle auch die Geschwinsondere. dann, wenn die. üblichen inkompressiblen digkeit der aus der Bohrkrone austretenden Spül-Bohrflüssigkeiten verwendet .werden. Bei der Ab- flüssigkeit periodisch erhöht. Somit entstehen gleichwärtsbewegung der Bohrkrone in Richtung auf ,das zeitig periodische Druckminderungen an der Bohrnoch nicht zerschnittene Gestein verdrängt sie die 30 lochsohle, periodische Erhöhungen der Bohrkronenunter ihr, befindliche Bohrflüssigkeit und erzeugt, da- last sowie periodische Erhöhungen der Strahlausbei eine Druckänderung, die ihren Höchstwert gleich- trittsgeschwindigkeit. Obwohl während anderer Bezeitig mit der auftretenden höchsten Kraft der nach reiche einer vollständigen: Druckwechselperiode unten schlagenden Bohrkrone erreicht.: gleichzeitig periodische Druckerhöhungen an der

Bei diesen und ähnlichen Geräten ergibt sich der 35 Bohrlochsohle und periodische Verringerungen der Nachteil, daß eine Erhöhung des Druckes, an der. Bohrkronenlast sowie der Strahlaustrittsgeschwindig-Bohrlochsohle zu einer Verringerung der Bohrgeschwindigkeit, führt. Das beabsichtigte Ergebnis der
Schlagwirkung der Bohrkrone geht mindestens teilweise \vegen der gleichzeitig auftretenden Druck-, 40
erhöhungen an der Bohrlochsohle verloren, da diese
Druckerhöhungen mit den ausgeübten Schlagkräften
in Phase liegen. Dies bedeutet, daß bei Abwärtsbewegung der Bohrkrone zum Angriff einer, neuen
Formation der Druck an der Bohrlochsohle plötzlich 45
ansteigt und den Vortrieb behindert.

Aus der ÜSA.-Patentschrift 31 11 931 ist ein im ..·. sonaren Bereich mit Flüssigkeit arbeitender Schwingungserzeuger bekannt, der innerhalb eines Bohr- ·

stranges angeordnet ist und bei dem die durch den 50 mit der durch den Erreger strömenden sowie mit der Bohrstrang; nach unten geführte Spülflüssigkeit aus- die Bohrkrone umgebenden Spülflüssigkeit in Verbindungsteht.;;.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung und Übertragung elastischer Schwingungen auf eine im Bereich einer Bohrkrone befindliche Spülflüssigkeit bei Erdbohrungen zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet^; durch einen an einem Bohrstrangglied befestigten Schwingungserreger für elastische Schwingungen und durch

dadurch auf die Bohrkrone die Wirkung eines Was- 60 ein ebenfalls an einem Bohrstrangglied befestigbares serhammers auszuüben. Zu diesem Zweck wird die. und an den Schwingungserreger angeschlossenes so-Spülflüssigkeitsströmung durch eine Ventileinrich- nares Ankopplungsgerät, idas mit der; Spülflüssigkeit tung im Bereich der Bohrkrone periodisch unter- in demHohlraum schwingungsmäßig gekoppelt und broche^ ,so daß im Augenblick der Unterbrechung gegen den Bohrstrang schwingungsmäßig isoliert ist. der volle Druck der über der Bohrkrone lastenden: 65 Es wird somit eine Kombination von Schwingungs-Spülflüssigkeitssäule wirkt. erreger und Ankopplungsbauteilen vorgeschlagen, die

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein , zur Erhöhung der Vortriebsgeschwindigkeit beim Verfahren der eingangs bezeichneten Art dahin- Rotary-Bohrverfahren zur Anwendung kommt und

keit auftreten, ergibt sich dennoch auf überraschende Weise eine wesentliche Erhöhung der Bohrvortriebsgeschwindigkeit. .

Vorzugsweise liegt die Frequenz der Druckändefungen zwischen 30 und 1000 Hz. Außerdem kann die Amplitude der Druckänderungen etwa gleich dem an der Bohrlochsohle herrschenden hydrostatischen Druck sein.

Bei der Ausführung des Verfahrens kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die Druckänderungen durch einen von der durch den Bohrstrang abwärts strömenden Flüssigkeit angetriebenen Schwingungerreger· erzeugt werden und ein sonares Ankopplungsgerät

genutzt wird, um auf einen das Förderrohr umgebenden rohrförmigen Resonatorkörper. Schwingungen auszuüben. Diese Schwingungen werden dann als Schläge direkt auf die Bohrkrone übertragen.

Weiterhin ist es aus· der USA.-Patentschrift 32 16 514 bekannt, den durch die Spülflüssigkeit auf die Formation im Bereich der Bohrkrone ausgeübten hydrostatischen Druck periodisch zu verringern, um

dahingehend zusammenwirkt, daß sonare Schwingungen erzeugt werden die man der Bohrflüssigkeit innerhalb des die Bohrkrone umgebenden Hohlraums derart ankoppelt, daß Verluste an Schwingungsenergie durch den Bohrstrang hindurch oder durch die Bohrflüssigkeit innerhalb des Ringraumes zwischen Bohrlochwandung und Bohrstrang vermieden werden.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten
näher erläutert. Es zeigt

kraft W die Bohrkrone 11 gegen die Bohrlochsohle 19 drückt. Elastische Schwingungen werden direkt in dem Bohrschlamm (d. h. in dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum) durch Einrichtungen erzeugt, die hier schematisch als hin- und hergehender Kolben 21 angedeutet wird.

Das Prinzip bekannter Verfahren zur Erzeugung von Lastschwingungen ist in Fig. 1 gezeigt, wo eine Bohrkrone 11 durch den Schlag eines fallenden Ham-

Ausführungsbeispielen io mers23 wechselnd belastet wird. Die Schlagkraft F_P

in Verbindung mit der Schwerkraft W lockert und

F i g. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes Gerät löst unter der Wirkung der Zähne 15 das Bohrgut 17 zur Erzeugung von Schwingungen an der Bohrkrone, auf der Bohrlochsohle 19.

Fig. 1-A bis 1-D in graphischen Schaubildern die Bei der Erfindung werden nun elastische Schwin-

Bohrgeschwindigkeit über veränderliche Bohrkronen- 15 gungen in der die Bohrkrone umgebenden Bohrflüslast, über dem Druckunterschied an der Bohrloch- sigkeit erzeugt, während bei den bekannten Verfahsohle, über dem Flüssigkeitsdruck bzw. über der ren der Bohrstrang oder die Bohrkrone direkt zu Strahlaustrittsgeschwindigkeit, elastischen Schwingungen angeregt werden. Als Folge

F i g. 2 schematisch das Erfindungsprinzip, von Schwingungen der Bohrkrone ergeben sich Än-

F i g. 2-A in drei Kurvenzügen Veränderungen des 20 derungen des auf die Bohrlochsohle wirkenden Druckes an der Bohrlochsohle, der Bohrkronenlast Druckes, die sich in Phase mit Schwingungen der

Bohrkronenbelastung befinden. Der Druck an der Bohrlochsohle steigt also gerade zu dem Zeitpunkt an, wenn die Bohrkrone nach unten schlägt, so daß deren Abwärtsbewegung behindert ist.

Die.; Nachteile der bekannten Verfahren werden besonders deutlich bei Betrachtung von vier der wesentlichen Einflußgrößen für den Vortrieb eines Bohrmeißels. F i g. 1-A zeigt beispielsweise die Be-

F i g. 4 eine übliche Rotary-Bohranlage in Verbin- 30 einflussung der Vortriebsgeschwindigkeit bei sich dung mit einer bevorzugten Unterbringung des ändernder Bohrmeißellast L. Aus der Kurve geht Schwingungsgenerators nach der Erfindung, hervor, daß die Vortriebsgeschwindigkeit linear mit

Fig. 5-A und 5-B Längsschnitt einer Ausführungs- dem auf der Bohrkrone lastenden Gewicht ansteigt. form des Schwingungsgenerators eines Kopplungs- Fig. 1-B zeigt unter der Annahme von durchläs-

gerätes und zugehörender Ausrüstungsgegenstände 35 sigem Felsmaterial die Wechselbeziehung von Vorzur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, triebs- oder Bohrgeschwindigkeit und dem Druck-

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der in differential (P-P,) zwischen der Bohrlochflüssigkeit F i g. 5-A gezeigten Baugruppe, wobei der obere und der Flüssigkeit innerhalb der miteinander ver-Generatorteil der Deutlichkeit halber aus seiner nor- bundenen Poren der Formation. Wie aus der Kurve malen Betriebslage entsprechend Fig. 5-A ange- 40 hervorgeht, nimmt die Bohrgeschwindigkeit mit steihoben dargestellt ist, gendem Druckdifferential ab.

und der Strahlgeschwindigkeit unter dem Einfluß eines Schwingungsgenerators, der mit der Bohrflüssigkeit in dem die Bohrkone umgebenden Hohlraum direkt gekoppelt ist,

Fig.3 ein Schaubild, in dem die erfindungsgemäß verbesserten Bohrgeschwindigkeiten in Sandstein und Marmor denjenigen gegenübergestellt sind, die sich mit dem üblichen Rotary-Verfahren erreichen lassen,

F i g. 7 eine Ansicht eines Oszillatorabschnittes, der Bestandteil des Gerätes nach Fig. 5-A und 6 ist,

F i g. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 6,

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Kopplungsgerätes, dessen Wandung teilweise gebrochen gezeigt ist, Fig. 10 einen hydro-akustischen Übertrager nach

Diese Erscheinung ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß die Bohrlochsohle ungenügend gereinigt wird. Eine Theorie zur Erklärung der Abnähme der Bohrgeschwindigkeit in durchlässigem Felsmaterial bei ansteigendem Druckdifferential (Ρ—Ρ/) liefert der Aufsatz »Laboratory Study, of Effect of Overburden, Formation and Mud Column Pressures on Drilling Rate of Permeable Formations«

Art eines zur Ausführung der Erfindung dienenden 5° in Trans., AIME (1959) 217.9. Danach setzt sich an Schwingungsgenerators, ■ der Wand und der Sohle des Bohrloches eine Schicht

Fig. 11 und 12 Schnitte längs der SchnittlinieXI-XI bzw. XII-XII in F i g. 10,

Fig. 13 einen vergrößerten Teilschnitt des unteren Endes des in Fi g. 10 gezeigten Ventils,

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines Schwingungsgenerators und

Fig. 15 einen Querschnitt längs· der Schnittlinie XV-XV in F ig. 14.

von Schlammpartikeln ab, die Bohrgutstücke einfängt, wobei die Schlammschicht vergleichbar ist mit einem Schlickerguß in einer porösen Form, von der das Wasser absorbiert wird. In Fig. 1 ist die Schlammschicht 25 angedeutet, die das gesamte Bohrloch einschließlich der Bohrlochsohle 19 abdeckt. Von den Zähnen 15 werden Mineralstücke 17 aus der Formation herausgeschnitten und normaler-

Bei dem schematisch in Fig. 2 gezeigten Verfah- 60 weise von der zirkulierenden Bohrflüssigkeit an die ren nach der Erfindung tritt nach dem zentral ange- Oberfläche gespült. Wenn das Druckdifferential groß ordneten Kanal 13 einer Bohrkrone 11 eine Bohrflüssigkeitsströmung V aus. Dieser Bohrschlamm

unterstützt die

aus.
Zähne 15 beim

Herausfördern des

genug ist, wird der Filterkuchen 25 dick und so fest zusammengepreßt, daß zusätzliche Kräfte notwendig sind, um die Mineralstücke 17 von der Bohrloch-Bohrgutes 17 aus der Bohrlochsohle 19. Die Bohr- 65 sohle zu lockern. Da die Bohrkrone 11 die Mineralkrone 11 wird in üblicher Weise in Drehbewegung stücke 17 zermahlt, anstatt in die noch nicht erschlossene Formation weiter einzudringen, wird die Bohr.-. geschwindigkeit erheblich verringert.

gesetzt, wobei sie unter der Last der nicht dargestellten Bohrstrangglieder steht, so daß deren Schwer-

7 8

Fig. 1-C zeigt den Einfluß einer veränderlichen Druck an der Bohrlochsohle unter seinem Durch-Flüssigkeitsdrucksäule auf die Vortriebsgeschwindig- schnittswert, der am Filterkuchen bestehende Druckkeit bei undurchlässigem Felsmaterial. Die Geschwin- unterschied ist stark verringert, die Strahlaustrittsdigkeit nimmt mit steigendem Druck an der Bohr- geschwindigkeit (Kurvenzug 35) ist erheblich erhöht lochsohle ab, und zwar hauptsächlich auf Grund von 5 und die Last auf der Bohrkrone liegt entsprechend zwei Einflußgrößen: (1) als Folge der größeren Kraft Kurvenzug 31 ebenfalls beträchtlich über dem Durchan den Zähnen der Bohrkrone, die erforderlich ist, schnittswert.

um das gleiche Felsvolumen bei einem größeren All diese Einflußgrößen wirken zusammen, um die Druck herauszulösen und (2) als Folge einer unzu- Bohrgeschwindigkeit stark während der Zeit zu erreichenden Reinigung der Bohrlochsohle. io höhen, in der sich der Flüssigkeitsdruck unter seinem

Bei den durch eine hohe Flüssigkeitssäule erzeug- Durchschnittswert befindet. Bei der Durchführung ten Drücken unterliegt das Gestein an der Bohrloch- von Ölbohrungen ist es üblich, den Druck im Bohrsohle einer hohen hydrostatischen Druckbeanspru- loch um 35 bis 70 kg/cm² größer zu halten, als er chung. Obwohl Felsmaterial eine niedrige Zugspan- innerhalb der Poren der gebohrten Formation benungsfestigkeit besitzt, ist durch das Ansteigen der 15 steht. Wenn die Amplitude P₁, der im Kurvenzug 27 hydrostatischen Last die Möglichkeit stark verringert, (Fig. 2-A) gezeigten Druckänderung etwa 70 kg/cm² mit den Bohrkronenzähnen einen Spannungsbruch beträgt, so liegt, wenn sich der Druck P an seinem im Gestein zu erzeugen. Unter diesen Umständen Minimalwert P_min befindet, das Druckdifferential sind größere Zahnbeanspruchungen notwendig, um P-P/am Filterkuchen entweder bei Null oder einem das gleiche Felsvolumen zu beseitigen wie bei niedri- 20 negativen Wert. Offensichtlich führen diese Verhältgeren Drücken. nisse zu einer beträchtlichen Erhöhung der augen-

Die oben im Zusammenhang mit durchlässigem blicklichen Bohrgeschwindigkeit. Dies gilt auch desGestein erwähnte unzureichende Reinigung bleibt halb, weil bei allen üblichen erfindungsgemäß erzielauch im Fall von undurchlässigem Gestein bestehen, baren Frequenzen die Zeitdauer für das Entstehen da die Bildung von Mahl- oder Bruchgut durch die 25 eines Bruches im Gestein unterhalb der Bohrkronen-Bohrkrone ebenfalls zu einer gewissen Durchlässig- verzahnung oder für das Wegspülen eines Felsbrokkeit führt und die gleichen Kräfte vorhanden sind, kens vom Bohrlochboden durch den Düsenstrahl die das Bruchgut unten halten und am Ausspulen relativ kurz ist im Vergleich mit der Zeitdauer dei hindern. negativen Halbwelle der Flüssigkeitsdruckänderung.

Fig. 1-D zeigt den Einfluß veränderlicher Strahl- 30 Darüber hinaus ist die Eingriffszeit der Bohrkrone geschwindigkeit der aus den Düsen der Bohrkrone mit dem Bohrlochboden extrem lang im Vergleich austretenden Bohrflüssigkeit auf die Vortriebs- mit der Zeitdauer des Entstehens eines Felsbruches geschwindigkeit. Die bei zunehmender Strahl- und auch um ein Mehrfaches länger als die Zeitdauer geschwindigkeit erhöhte Vortriebsgeschwindigkeit ist der Druckänderungsperiode in der Bohrflüssigkeitseine Folge der verbesserten Reinigung der Bohrloch- 35 säule. Jedesmal wenn ein Zahn der Bohrkrone den sohle. Wegen der höheren Strahlgeschwindigkeit kann Bohrlochboden berührt, laufen mehrere Druckändedie Flüssigkeit den Filterkuchen leichter durchdrin- rungsperioden der Flüssigkeitssäule ab, so daß sich gen und die am Boden liegenden Bruchstücke besser mehrere günstige Gelegenheiten für das Entstehen wegspülen. eines Felsbruches ergeben.

Die Erfindung macht Gebrauch von der Erkennt- 40 Befindet sich der Druck der Flüssigkeitssäule auf nis, daß periodische Änderungen des Druckes der seinem Minimalwert P_min, so sinken die auf das Flüssigkeitssäule bzw. Schwingungen um den Durch- untere Ende der Bohrkrone wirkenden hydraulischen schnittswert die Vortriebsgeschwindigkeit beträcht- Kräfte unter den Durchschnittswert ab, so daß die lieh erhöhen können. F i g. 2-A zeigt in dem Kurven- durch Bohrkrone und Bohrstrang auf die Formation zug 27 sinusförmige Änderungen des Bohrflüssig- 45 wirkende Last ansteigt. Zur gleichen Zeit wird der keitsdruckes P an der Bohrlochsohle. Die unterbro- hydraulische Druckabfall an den Düsen der Bohr-, chene waagerechte Linie 29 zeigt den durchschnitt- krone erhöht, was zu einer Erhöhung der Strahlauslichen Druck der Flüssigkeitsäule sowie das Druck- trittsgeschwindigkeit zu der Zeit führt, wo das Druck-Zeit-Verhältnis bei Fehlen der erfindungsgemäßen differential P' — P, gleich Null oder negativ ist. Zu Wirkungen. Der Kurvenzug 31 zeigt die resultieren- 50 diesen Zeitpunkten können der Filterkuchen von der den Änderungen der Bohrkronenbelastung 11, die Flüssigkeitsströmung leicht durchdrungen und die ebenfalls um einen durch die waagerechte Linie 33 Bruchstücke weggespült werden, gegebenen Mittelwert pendelt. Der Kurvenzug 35 --Diese Ausführungen machen klar, daß sich bei zeigt die periodischen Änderungen der Strahlaus- einem Minimalwert des Flüssigkeitsdruckes das trittsgeschwindigkeit bezüglich eines durch die waage- 55 Druckdifferential P-P, auf einem Minimalwert, die rechte Linie 37 angegebenen Mittelwerts. Dabei ist von der Bohrkrone auf die Formation ausgeübte zu beachten, daß der sinusförmige Kurvenweg 35 Kraft auf einem Maximalwert und die Strahlungseine Phasenverschiebung um 180° bezüglich der austrittsgeschwindigkeit ebenfalls auf einem Maxirnalperiodischen Änderungen der Flüssigkeitsdrucksäule wert befinden. Sämtliche Einflußgrößen, die in der (Kurvenzug 27) jodoch die gleiche Phasenlage wie 60 richtigen Phasenbeziehung zusammenarbeiten, fühdie periodischen Änderungen der Bohrkronenbela- ren in Kombination mit der Eingriffszeit der Bohrstung (Kurvenzug 31) aufweist. kronenverzahnung, mit der Größe der Druckände-

Zum Verständnis, wie eine Änderung des Druckes rungsperiode, mit der Zeitdauer für das Wegspülen

der Flüssigkeitssäule zu einer Erhöhung der Bohr- von Felsbruchmaterial sowie für das Auftreten eines

geschwindigkeit beitragen kann, sei der Zustand der 65 Felsbruches zu einer beträchtlichen Erhöhung der Bohrlochsohle betrachtet, wenn sich der Druck der Bohrgeschwindigkeit. Überraschenderweise werden

Flüssigkeitssäule auf seinem Kleinstwert P_min (Fig. die während des Durchlaufs negativer hydrostatischer 2-A) befindet. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich der Druckwerte (P„„„) bewirkten Erhöhungen der Bohr-

geschwindigkeit bei Durchlaufen positiver Druckwerte bis zum Maximaldruck P_max. Die sich einstellende Bohrgeschwindigkeit entspricht etwa einem Wert, der sich erreichen ließe, wenn der Druck an der Bohrlochsohle bleibend auf dem Wert entsprechend P_min in F i g. 2 gehalten würde.

Einzelne Beispiele für die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit durch das Verfahren nach der Erfindung gegenüber dem bekannten Rotary-Bohrverfahren sind in F i g. 3 angegeben. Die schwarzen Säulen 39 bis 47 beziehen sich auf mit bekannten Rotary-Bohrkronen erreichte Bohrgeschwindigkeiten, bei denen keine erzwungenen Schwingungen direkt der Schlammsäule aufgedrückt werden, ohne daß sie zunächst den Bohrstrang und die Bohrkrone durchlaufen haben. Die weißen Säulen 49 bis 57 zeigen die erheblich verbesserten Eindringgeschwindigkeiten, die erfindungsgemäß sich mit den gleichen Bohrkronen unter gleichen Bedingungen erzielen lassen. Der einzige Unterschied besteht also in den der die Bohrkronen umgebenden Flüssigkeit angekoppelten elastischen Schwingungen.

Die Ergebnisse wurden durch Laboratoriumsversuche unter kontrollierten Bedingungen erzielt, die den echten Verhältnissen im Bohrfeld eng nachgeahmt waren. Die Größe der Bohrkrone betrug 3,18 cm, und weitere Bedingungen wie Gewicht der Bohrkrone, Drehzahl usw. sind in F i g. 3 angegeben. Mit Ausnahme der Abszissenbezeichnung P — P, erklärt sich das Schaubild selbst. Wie in der Figur angegeben, bezieht sich P auf den Druck der Schlammsäule, während P_s der Formationsdruck ist, d. h. der hydrostatische Druck der Flüssigkeit in der Formation an der Bohrlochsohle. Die Bohrgeschwindigkeit ist tatsächlich eher eine Funktion dieses Druckdifferentials als des Druckes am Bohrlochboden allein. Wenn beispielsweise der Formationsdruck P₁ gleich dem Druck P an der Bohrlochsohle ist (obwohl P einen sehr großen Wert haben könnte), so wird die Formation sehr schnell durchdrungen. Falls andererseits der Formationsdruck P₁ klein und der Druck P an der Bohrlochsohle groß ist, wird die Formation normalerweise sehr langsam durchdrungen. Das Druckdifferential P-P, bildet somit den kritischen Wert beim Durchbohren von durchlässigen Formationen wie Sandstein, und aus diesem Grund dient diese Größe als Abszisse des Schaubildes für die Bohrgeschwindigkeit in Sandstein.

Von Interesse ist die stärkere Zunahme der Bohrgeschwindigkeit bei Anwendung der Erfindung in durchlässigem Berea-Sandstein im Vergleich mit dem Ansteigen in praktisch undurchlässigem Batesville-Marmor. Dieser Unterschied beruht auf der bekannten jedoch weniger verständlichen Tatsache, daß die Beeinflussung der Bohrgeschwindigkeit durch Verringerung des Druckes an der Bohrlochsohle bei undurchlässigem Gestein nicht so groß wie bei durchlässigem Gestein ist. Dem Fachmann ist diese Erscheinung bekannt, obwohl keine ausreichende Erklärung vorliegt. Die Säulen 45, 47 und 55,57 in F i g. 3 zeigen, daß durcii Anwendung der Erfindung selbst bei undurchlässigem Gestein eine merkliche Erhöhung der Bohrgeschwindigkeiten möglich ist.

Die Erfindung ist somit in ihrem weitesten Sinn ein Bohrverfahren, das sich unabhängig von besonderen Geräten durchführen läßt. Es gibt eine Anzahl von Geräten, die zur Erzeugung von Druckschwingungen in der die Bohrkrone umgebenden Flüssigkeit verwendet werden können. Das schematisch gezeigte Gerät nach F i g. 2 erläutert die allgemeine Wirkungsweise und ist auch kennzeichnend für das Gerät, das in den Laborversuchen, aus denen die Angaben nach Fig. 3 entstanden sind, verwendet worden ist. Ein derartiges Gerät ist jedoch zur Ausführung von tiefen Erdbohrungen, beispielsweise von Öl- und Gasbohrungen, unpraktisch.

F i g. 4 zeigt eine übliche Rotary-Bohranlage, bei

ίο der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt. Ein Bohrturm 59 befindet sich über einem Bohrloch 61, in dem sich ein Standrohr 63, Bohrstangen 65 sowie Schwerstangen 67 und eine Bohrkrone 69 befinden. Der Schwingungsgenerator 70 befindet sich in dem Bohrstrang direkt oberhalb der Bohrkrone. Die Drehbewegung der Bohrkrone 69 wird durch den Eingriff eines Drehtisches 71 mit einer Mitnehmerstange 73 erzielt, die den obersten rohrförmigen Bauteil des Bohrstranges bildet. Die Mitnehmerstange 73 ist an einem Spülkopf 75 befestigt, der in dem Bohrturm 59 mittels eines Bohrhakens 77 und eines Flaschenzugkolbens an dem Seil 81 aufgehängt ist. Das Seil 81 läuft über Rollen auf dem nicht gezeigten Oberteil des Bohrturms und ist an einem Hebewerk 83 befestigt, das den Bohrstrang,anhebt und absenkt.

Das Umlaufsystem für die Spül- oder Bohrflüssigkeit besteht aus einem Sumpf oder Saugloch 85, aus dem Bohrschlamm mit Hilfe einer Spülpumpe 87 abgezogen wird. Der Bohrschlamm durchströmt eine .Standleitung 89 innerhalb des Bohrturmes 59, einen Spülschlauch 91, die Mitnehmerstange 73 bis schließlich zur Bohrkrone 69. Das Bohrklein vom Boden des Bohrloches wird mit Hilfe des Schlamms durch das Bohrloch 61 außerhalb des Bohrstranges nach oben gespült und anschließend durch ein Rüttelgerät von dem Schlamm getrennt. Der Schlamm wird dann in den Sumpf 85 zurückgeleitet, von wo der Umlauf wieder beginnt.

Der an den Schwerstangen 67 oberhalb der Bohrkrone 69 befestigte Schwingungsgenerator 70 besteht aus einem Gerät, das in der Spülflüssigkeit an der Bohrlochsohle rund um die Bohrkrone Druckänderungen erzeugt. Dieses Gerät wird vorzugsweise durch die zirkulierende Spülflüssigkeit betätigt, so daß keine zusätzliche äußere Kraftquelle wie bei der Vorrichtung nach F i g. 2 notwendig ist.

In F i g. 5 bis S ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines Schwingungsgenerators gezeigt, der auch als flüssigkeitsbetätigter Generator bezeichnet werden kann, da er keine beweglichen mechanischen Bauteile enthält; er besitzt außerdem ein Kopplungselement für die Einleitung in die Bohrflüssigkeit. -Das Kopplungsgerät enthält ebenfalls keine bewegliehen mechanischen Teile. Der Schwingungsgenerator ist mit A, das Kopplungsgerät mit B und zwei Helmholtz-Resonatoren sind mit C und D bezeichnet. Der obere Abschnitt 111 (Fig. 5-B) der Anordnung wird mit dem Bohrstrang verschraubt und besitzt die Form eines Rohres 112 mit einem Hohlraum 113, der teilweise durch eine innere Hülse 114 gebildet ist. Der untere Abschnitt 115 des Rohres 112 ist zur Verschraubung mit einer weiteren Bohrstange 117 ebenfalls mit Gewinde versehen. Mehrere Bohrungen 119 verbinden eine axial verlaufende Bohrung 121 mit dem Hohlraum 113. Der Hohlraum 113 und die Bohrungen 119 bilden einen Helmholtz-Resonator C.

Ein Zwischenteil 123 der Anordnung ist an seinem oberen Ende 125 zum Anschluß an die Schwerstange 117 mit Gewinde versehen und enthält einen ringförmigen Hohlraum 126. Das untere Ende 127 des Zwischenteils ist mit Gewinde versehen zum Anschluß an eine Schwerstange 129, die eine Anzahl von Bohrungen 131 enthält, die von dem Hohlraum 126 nach außen verlaufen. Der Zwischenteil 123 und die besonders ausgebildete Schwerstange 129 bilden einen weiteren Helmholtz-Resonator D, dessen Aufgäbe weiter unten beschrieben ist. Der untere Abschnitt 133 (Fig. 5-A) der Anordnung trägt am oberen Ende 135 Gewinde zum Anschluß an die Schwerstange 129 und nimmt den Schwingungsgenerator A sowie einen Kopplungsbauteil 137 des Kopplungsgerätes B auf.

Entsprechend Fig. 6 enthält der Schwingungsgenerator A einen Körperteil 139, der aus einem zylindrischen Metallstück hergestellt worden ist. Eine zentrale axial verlaufende Bohrung 141 innerhalb des Körperteils steht mit der Bohrung 121 in Verbindung. Zwei weitere axial verlaufende Bohrungen 143 und 145 erstrecken sich teilweise durch den Körperteil und enden an den Stellen 147, 149 oberhalb des unteren Endes 151 des Körperteils 139. Die oberen Enden der Bohrungen sind durch Stopfen 153, 155 verschlossen, so daß innerhalb des Körperteils 139 zwei Hohlräume entstehen.

Die beiden axialen Bohrungen bzw. daraus hergestellten Hohlräume 143, 145 stehen jeweils mit zwei Querbohrungen 157, 159 bzw. 158, 160 in Verbindung und bilden je einen Rückkopplungskanal zur Steuerung der Frequenz der Flüssigkeitsoszillatoreinheit 161 (Fig. 6 und 7), die aus einem bistabilen Flüssigkeitsverstärker mit hohem Verstärkungsgrad besteht,, mitfjekoppelt ist, um das Schwingen der bistabilen Einheit zu gewährleisten. Derartige Vorrichtungen sind im Prinzip in der Veröffentlichung »The Proceedings of the Fluid Amplification Symposium«, Harry Diamont Laboratories, Oktober 1965, Volume III, S. 131 bis 159, herausgegeben von The Clearinghouse for Federal, Scientific and Technical Information, Department of Commerce, beschrieben.

Die Flüssigkeit wird dem Oszillator 161 von der zentralen Bohrung 141 durch eine radial verlaufende Leitung' 163, die in den Block 165 (Fig. 6 und 7) des Gerätes eingeformt ist, sowie durch den Körperteil 139 zugeführt. Die Leitung 163 steht mit einer Antriebs- oder Anregungsdüse 167 über einen'sich verjüngenden Kanal 169 in Verbindung. Zwei zueinander ausgerichtete Steuerdüsen 171, 173 sind stromab hinter der Düse 167 angeordnet und über trichterförmige Kanäle 175, 177 an Bohrungen 179, 181 angeschlossen, welche auf die Rückkopplungskanäle 157, 158 (F i g. 6) ausgerichtet sind. Ein axial in Verlängerung der Antriebsdüse 167 vorgesehener Wechselwirkungsbereich 183 steht mit den Steuerdüsen 171, 173 in Verbindung. Der sich nach unten erweiternde Wechselwirkungsbereich steht mit zwei Empfängerkanälen 185, 187 in Verbindung, die jeweils an Rückkopplungskanäle 193, 195 sowie an sich beiderseits eines Spaltungsteils 192 erstreckende Diffusorkanäle 189, 191 angeschlossen sind. Die Rückkopplungskanäle 193, 195 sind an Bohrungen 197, 199 angeschlossen, die ihrerseits mit den Rückkopplungskanälen 159, 160 in F i g. 6 in Verbindung stehen. Die Diffusorkanäle 189, 191 erstrecken sich durch den Körper 165 bis zu ihren Auslaßöffnungen 201, 203 (Fig. 6) am unteren Ende des Körperteils 139.

Der Flüssigkeitsoszillator muß so ausgelegt sein, daß er auf die an ihm angelegte akustische Belastung anspricht und innerhalb eines großen Bereiches von Zuführungsdrücken bei der Resonanzfrequenz des Systems schwingt.

Die in der Oszillatoreinheit 161 erzeugten elastischen Schwingungen werden der die Bohrkrone stromab von den Bohrkronendüsen umgebenden Flüssigkeit mit Hilfe des Ankopplungsgerätes B übertragen, das den zuvor erwähnten Kopplungseinsatz 137 mit einem radial verlaufenden Flansch 205 und einer zentralen Axialbohrung 207 enthält. Entsprechend F i g. 5-A und 6 besteht zwischen dem Flansch 205 und der radial gerichteten Schulter 211 des unteren Abschnittes 133 des Gerätes ein ringförmiger Hohlraum 209. Zwei Bohrungen 213, 125 erstrecken sich axial durch den Flansch 205. Paßeinrichtungen, beispielsweise ein Bauteil 206 auf dem Einsatz 137 und eine entsprechende Öffnung 208 in dem Körperteil 139 des Oszillators, sorgen für die Ausfluchtung der Bohrungen 213, 125 mit den Auslaßöffnungen 201, 203. Die Bohrung 213 steht mit einem Rohr 217 in Verbindung, das sich durch den Hohlraum 209 erstreckt und an einen Kanal 219 angeschlossen ist, der durch den Wandungsbereich 221 des unteren Abschnittes 133 bis in den äußeren Hohlraum 222 geführt ist, der die Bohrkrone 224 umgibt. Die Bohrung 215 steht mit einem anderen Rohr 223 (F i g. 6) in Verbindung, das über eine bestimmte Entfernung in den Hohlraum 209 hineinragt. Ein Kanal 225 erstreckt sich durch den Wandungsbereich 221 des Unterteils 133, um den inneren Hohlraum 209 mit dem die Bohrkrone 234 umgebenden Hohlraum 222 zu verbinden. In der soweit beschriebenen Vorrichtung können verschiedene Dichtungen, z. B. ein Dichtring 226, vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß die Flüssigkeit ihren Weg nur durch die dafür bestimmten Öffnungen, Kanäle und Hohlräume nimmt.

Voraussetzung für ein gut wirkendes Kopplungs- · gerät ist das Vorhandensein einer hohen Q-Zahl. Die ß-Zahl eines Systems wird zuweilen definiert zu 2 π mal der maximal gespeicherten Energie, geteilt durch die pro Periode vernichtende Energie. Ein System mit einem hohen ß-Wert kann als Äquivalent zu der stabilisierenden Wirkung eines Schwungrades in einer mechanischen Anordnung angesehen werden. Ein hoher ß-Wert ist demnach erwünscht, um ein stabiles Betriebsverhalten des gesamten Systems zu erreichen und sicherzustellen, daß der Flüssigkeitsoszillator in einem großen Bereich zugeführter Drücke mit der im voraus festgelegten Frequenz des Systems arbeitet. Das Kopplungsgerät nach F i g. 5-A und 6 genügt dieser Anforderung.

Um die günstigste Betriebsweise bei Geräten dieser Art zu erzielen, sollte die Impedanz der Bohrkronendüse der Impedanz des akustischen Kreises angepaßt sein. Für diese Anpassung ist ein gewisses Maß praktischer Versuche notwendig, da die Oszillatorimpedanzen schwer genau zu berechnen sind. Beispiele für erfolgreich erprobte Abmessungen der einzelnen Bauteile sind weiter unten angegeben.

Tm Betrieb wird das Gerät nach F i g. 5 bis 8 in einen Bohrstrang oberhalb einer Bohrkrone eingebaut und in das Bohrloch abgelassen, das mit dem

13 14

Gerät und den anderen Bohrstrangteilen einen Ring- strahl »zurückgeschaltet« und heftet sich dann an raum zur Rückströmung der Spülflüssigkeit an die die Wandung 194 an, womit eine Periode vervoll-Erdoberfläche bildet. Die sich durch das Gerät er- ständigt ist. Auf diese Weise wird ein Schwingungsstreckende Axialbohrung 121, zu der auch die Axial- Vorgang erzeugt, und die Zeitdauer zwischen dem bohrung 141 des Schwingungsgenerators und die 5 Beginn des Einströmens der Flüssigkeit in den Rück-Axialbohrung 207 des Kopplungselementes 137 ge- kopplungskanal 193 oder 195 bis zu dem Zeitpunkt, hört, bildet einen Durchgang für die Flüssigkeit von in dem die Strömung in der Steuerdüse 171 oder 173 der Spülpumpe 87 in F i g. 4 an der Oberfläche des ihren Umschaltwert erreicht, wird durch die geome-Bohrloches bis zu den Düsen der Bohrkrone. Wie trische Ausbildung der Rückkopplungsschleife bebeim herkömmlichen Rotary-Bohrverfahren strömt io stimmt.

die Spülflüssigkeit durch die Axialbohrung 121 und Die Rückkopplungsschleife kann verschieden aus-

die Düsen der Bohrkrone, um von dort das ge- gebildet sein, wobei einige solcher Möglichkeiten

schnittene Bohrklein aus der Bohrlochsohle heraus- in der bereits erwähnten Veröffentlichung »The

zuspülen und an die Erdoberfläche zu bringen. Proceedings of the Fluid Amplification Symposium«,

Ein Anteil der durch die Axialbohrung 141 des 15 Harry Diamond Laboratories, beschrieben sind. Schwingungsgenerators strömenden Flüssigkeit wird Innerhalb jeder halben Schwingungsperiode fließt der über die Anschlußbohrung 163 in die Flüssigkeit- Hauptanteil der die Empfängerkanäle 185 oder 187 Oszillatoreinheit 161 abgezweigt. Aus der Antriebs- beaufschlagenden Strömung entweder in den Diffusordüse 167 tritt ein Düsenstrahl mit hoher Geschwin- kanal 189 oder 191 und von dort zum Auslaß 201 digkeit aus und strömt abwechselnd in die Emp- 20 oder 203 des Körperteiles 139 des Schwingungsfängerkanäle 185 und 187. Dieser abwechselnde generators A. Die Auslaßöffnungen 201, 203 stehen Strömungsvorgang resultiert aus der Mitkopplungs- mit den Bohrungen 215, 213 des Kopplungsgerätes B wirkung derRückkopplungskanäle 193,195 (Fig.7), in Verbindung, bei dem es sich ebenfalls um eine der Querbohrungen 159, 160 (Fig. 6), der in den Vorrichtung handelt, deren Wirkungsweise durch ein Axialbohrungen 143, 145 gebildeten Hohlräume, der 25 Strömungsmedium bestimmt wird.
Querbohrungen 157, 158, der Anschlußöffnungen Im Betrieb des Kopplungsgerätes B nach F i g. 5-A 179, 181 und der Steuerdüsen 171, 173. Der aus der und 6 wird mit der Austrittsströmung aus der Antriebsdüse 167 austretende Düsenstrahl reißt die Oszillatoreinheit 161 die Flüssigkeit beaufschlagt, die umgebende Flüssigkeit innerhalb des Wechselwir- sich in dem Hohlraum rund um die Bohrkrone und kungsbereiches 183 mit und hat das Bestreben, den 30 unterhalb der Bohrkronendüse befindet, und zwar Druck in diesem Bereich zu verringern. Der Düsen- · unter Einschaltung eines akustischen Kreises, der strahl trifft auf den Strahlspaltungsteil 192 (Fig. 7), folgenden drei Bedingungen genügen muß: (1) ge- und auf Grund der dabei auftretenden Turbulenz naue Anpassung der Ausgangsimpedanz des Flüssiggelangt ein größerer Flüssigkeitsanteil auf die eine keitsoszillators 161 an den Energieverlust in den Seite des Spaltungsteiles als auf die andere Seite, 35 Bohrkronendüsen, (2) wirksame Phasenumkehr der beispielsweise in den Empfängerkanal 187. Da sich elastischen Schwingungen in einem der Ausgangsdie Wandung 194 des Wechselwirkungsbereiches in zweige des Oszillators 161 und (3) das Vorhandenunmittelbarer Nähe befindet, behindert diese das sein eines Systems mit einer hohen Ö-Zahl.
Mitreißen der Flüssigkeit, so daß der Strahl den Die Ausgangsströmung aus dem Diffusorkanal Druck in der Nähe der Wandung 194 wirksamer 40 191 beaufschlagt die Bohrung 213, das Rohr 217 erniedrigt als in der Nähe der gegenüberliegenden und den Kanal 219, die zusammen mit der darin ent-Wandung 196 des Wechselwirkungsbereiches. Auf haltenen Flüssigkeit eine akustische Inertanz (mit-Grund des dadurch im Wechselwirkungsbereich ent- schwingende Masse) bilden. Der Kanal 219 steht mit stehenden Druckunterschiedes quer zum Düsenstrahl der Flüssigkeit in dem Hohlraum 222 rund um die nähert sich dieser der Wandung 194, so daß der 45 Bohrkrone in Verbindung, so daß der Hohlraum 222 Druck in deren Nähe weiter verringert und der als akustischer Federungswiderstand aufzufassen ist. Druckunterschied quer zu dem aus der Düse 167 Die Ausgangsströmung aus dem Diffusorkanal 189 austretenden Strahl weiter erhöht wird. Die zuvor beaufschlagt die Bohrung 215 sowie das Rohr 223, beschriebenen Vorgänge wirken regenerativ, so daß die zusammen eine weitere akustische Inertanz bilfast sämtliche aus der Düse 167 austretende Flüssig- 50 den. Das Rohr 223 endet innerhalb des Ringraums keit an die Wandung 194 herangezogen wird und in 209, der einen weiteren akustischen Federwiderstand den Empfängerkanal 187 einströmt. Ein Anteil von bildet. Der Kanal 225 bildet eine akustische Inertanz der dorthin gelangenden Flüssigkeit fließt in den · und verbindet den Hohlraum 209 mit dem die Bohr-Rückkopplungskanal 195 und kehrt dann nach "' krone umgebenden Hohlraum 222. Durch geeignete Durchströmen der Rückkopplungsschleife zur Steuer- 55 Bemessung sämtlicher akustisch wirkender Baudüse 173 um. Sobald die Strömung in der Steuer- elemente innerhalb dieses Ankopplungskreises düse 173 einen bestimmten Wert erreicht, wird die können die vorgenannten drei Forderungen erfüllt aus der Antriebsdüse 167 austretende und bis jetzt werden. Die Ausgangsschwingungen des Schwinin den Empfängerkanal 187 gerichtete Strömung gungsgenerators erhalten auf diese Weise die geabgelenkt oder »umgeschaltet« und heftet sich im 60 eignete Phasenbeziehung, um für das erfindungs-Wechselwirkungsbereich 183 an die Wandung gemäße Verfahren wirksam verwendet werden zu 196 an. können.

In gleicher Weise strömt nunmehr die den Emp- Um in dem Ringraum (Bohrloch/Gestänge) nach

fängerkanal 185 beaufschlagende Flüssigkeit in den oben hin einen zu großen Energieverlust bzw. eine zu

Rückkopplungskanal 193 und kehrt über die ange- 65 hohe Dämpfung zu vermeiden, wird der Helmholtzschiossene Rückkopplungsschleife zur Steuerdüse Resonator D als ein Seitenzweig mit Einlaßöffnungen

171 um. Sobald die Strömung in der Steuerdüse 171 benutzt, die sich eine viertel Wellenlänge über dem einen bestimmten Wert erreicht, wird der Düsen- obersten Ende des Hohlraums 222 befinden. Damit

wird die akustische Impedanz in dem Ringraum in Richtung nach oben sehr hoch und ein merklicher Energieverlust vermieden. Der Helmholtz-Resonator D wird gebildet durch die akustische Inertanz der Kanäle 131 und durch den akustischen Federungswiderstand des Ringraumes 126. Die körperlichen Abmessungen dieser Bauteile müssen zur Gewährleistung von Resonanz bei der Betriebsfrequenz justiert werden.

Die Kanäle 119 und der Hohlraum 113 bilden einen weiteren Helmholtz-Resonator C, der als ein von der Axialbohrung 121 ausgehender Seitenzweig vorgesehen ist. Der Eintritt in die Kanäle 119 befindet sich eine halbe Wellenlänge oberhalb der Bohrkronendüsen. Auf diese Weise wird der Druck stromauf von der Bohrkronendüse konstant gehalten, obwohl sich die Durchströmung der Düsen in größerem Umfang ändert. Der Helmholtz-Resonator C ist ebenfalls auf die Betriebsfrequenz des Oszillators abgestimmt.

In F i g. 4 ist ein Stoßdämpfer 68 angedeutet. Der Stoßdämpfer wird in den Bohrstrang vorzugsweise eine halbe Wellenlänge oberhalb der Bohrkrone eingebaut, wobei die Wellenlänge diejenige der elastischen Schwingungen in dem Bohrstrang bei der Betriebsfrequenz ist. Der Stoßdämpfer befindet sich somit an der Stelle eines Schwingungsbauches, um die Impedanz an der Bohrkrone in Richtung auf die Schwerstangen sehr niedrig zu halten, damit die Bohrkrone durch die periodischen Druckminderungen in dem Flüssigkeitsvolumen innerhalb des die Bohrkrone umgebenden Hohlraumes 222 in die Formation hineingezogen werden kann. Wenn kein Stoßdämpfer verwendet wird und die Bohrstrangteile sehr starr ausgeführt sind, wird die Größe der zyklischen Änderungen der Bohrkronenbelastung verringert, jedoch bleibt die Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit dennoch wegen der periodischen Verringerung des Druckes und Ansteigens der Strahlaustrittsgeschwindigkeit erhalten.

Nachfolgend ist ein Beispiel für die Abmessungen eines Gerätes nach F i g. 5 bis 8 bei Anwendung in Bohrlöchern von 20 cm Durchmesser und bei einer Frequenz von 100 Hz angegeben.

Ein Schwingungsgenerator A wurde über die An-Schlußöffnung 163 mit 303 l/min Bohrflüssigkeit bei einem Druck von 127 kg/cm² mit Bezug auf den Durchschnittsdruck an der Bohrlochsohle beaufschlagt. Die Antriebsdüse 167 der Oszillatoreinheit 161 besaß eine Breite von 0,305 cm und eine Tiefe von 1,02 cm, so daß das Verhältnis von Tiefe zu Breite 3,33 beträgt. Die verschiedenen Kanäle in der Oszillatoreinheit waren soweit nicht anders angegeben, im Querschnitt quadratisch oder rechteckförmig ausgeführt. Der Spaltungsteil 192 befand sich 12,5 Düsenbreiten unterhalb des Ausgangs der Antriebsdüse 167. Die Steuerdüsen 171, 173 hatten jeweils eine Breite von 0,25 cm und eine Tiefe von 1,02 cm. Die Wandungen 194, 196 des Wechselwirkungsbereiches und der Spaltungsteil 192 schlossen jeweils Winkel von 15° ein. Die Rücksetz-Entfernung »α« (Fig. 7) betrug 0,0114 cm und der Eintritt in die Diffusorkanäle 189, 191 hatte jeweils eine Breite von 0,508 cm und eine Tiefe von 1,02 cm. Die Diffusorkanäle besaßen eine Länge mit konstantem Querschnitt von sechs Eintrittsbreiten entsprechend F i g. 7, um die Strömung vor Eintreten in den divergierenden Diffusorbereich zu beruhigen, von denen jeder einen Winkel von 10° einschloß. Die Anschlußöffnung 163 hatte einen Durchmesser von 2,54 cm. Während die Anschlußöffnungen 179, 181 und die Rückkopplungsöffnungen 197, 199 Durchmesser von 0,8 cm aufwiesen.

Die zentral angeordnete axiale Bohrung 141 des Körperabschnittes 139 des Schwingungsgenerators A kann einen Durchmesser von 5,08 cm aufweisen. Die Bohrungen 157, 159, 158 und 160 der Rückkopplungsschleifen besaßen Durchmesser von 0,8 cm und Längen von 5,08 cm. Die Durchmesser und Längen der durch die Axialbohrungen 143, 145 und Stopfen 153 und 155 gebildeten Hohlräume ließen sich zur Regelung der Betriebsfrequenz der Oszillatoreinheit verändern. Zum Betrieb bei einer Frequenz von 100 Hz betrug der Durchmesser der Axialbohrungen 143, 145 3,81 cm, während die Tiefe der durch die Bohrungen und die Stopfen 153, 155 gebildeten Hohlräume jeweils 22,86 cm betrug.

Fertigungsangaben für das Kopplungsgerät B ergeben sich eher aus akustischen Werten für die Elemente, die zur Ankopplung des Schwingungsgenerators A an die Bohrflüssigkeit in dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum verwendet werden, als durch körperliche Abmessungen der verschiedenen Öffnungen und Kammern. Die körperlichen Abmessungen der Kanäle und die Volumina der akustischen Elemente lassen sich durch folgende Formeln berechnen:

'(1) Akustische Inertanz (mitschwingende Masse):

worin

Po = Dichte (kg/m³),
I = Kanalquerschnitt (m²).
5 = Kanallänge (m),

(2) Akustischer Federwiderstand:

C =

Po-C

worm

V = Flüssigkeitsvolumen im Hohlraum (m³),
Po= Dichte (kg/m³),
c = Schallgeschwindigkeit im Medium (m/5).

Der Inertanzwert der zusammenwirkenden Elemente: Auslaßbohrung 203, Bohrung 213, Rohr 217 und Kanal 219 betrug 75,7 · 10³ kg ■ sec²/m⁵ und die Inertanz der kombinierten Elemente: Auslaßbohrung 201, Bohrung 215 und Rohr 223 betrug 85,14 · 10³ kg · sec²/m⁵. Der Federwiderstand des ringförmigen Hohlraums 209 betrug 6,55 · 10-ⁿm⁵/kg. Der Federwiderstand der Bohrflüssigkeit in einem Hohlraum 222, der eine Bohrkrone von 20 cm Durchmesser umgibt, betrug 5,4 · 10~ⁿ m⁵/kg. Die Induktanz des Kanals 225, der den Hohlraum 209 mit dem Hohlraum 222 verbindet, betrug 98 · 10³ kg · sec²/m⁵.

Wie oben erwähnt, wird die Impedanz in dem Ringraum, von dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum nach oben gesehen, vorzugsweise durch Verwendung eines Helmholtz-Resonators D großgehalten. Die Mündung des Kanals 131 dieses Resonators befand sich eine viertel Wellenlänge (3,81 m) von dem untersten Ende des Ringes (d. h. von dem oberen Ende des Hohlraums 222) entfernt. Die Inertanz der Kanäle 131

(10 Stück unter gleichen Abständen angeordnet am Umfang) betrug 20,6 - 10³ kg · sec²/m⁵, und der Federwiderstand des Hohlraums 126 betrug 12,2 · 1O^-11 m⁵/kg. Der Helmholtz-Resonator C, welcher mit der in der Axialbohrung 121 des Gerätes strömenden Flüssigkeit verbunden ist, besitzt einen oder mehrere Kanäle 119 mit einer kombinierten Inertanz von 20,6 · 10³ kg · sec²/m⁵. Die Mündungen der Kanäle 119 lagen eine halbe Wellenlänge (7,62 m) von den Düsen der Bohrkrone entfernt. Der Federwiderstand des Hohlraums 113 betrug 12,2 · 10"¹¹ m⁵/kg.

Die Impedanz der Düsen der Bohrkrone betrug 154,8 kg ■ sec/m⁵; dies ist ein typischer Impedanzwert für normale Bohrkronendüsen in Erdbohrungen von 20 cm Durchmesser. Die Impedanz der Bohrkronendüsen läßt sich durch die folgende Beziehung

IP

berechnen: Impedanz = —γ, wobei P — der durchschnittliche Druckabfall an der Düse in kg/m² und Q = die durchschnittliche Durchströmungsmenge der Düse in m³/sec ist.

Die Oszillatoreinheit 161 war zur Erhöhung der Abnutzungsfestigkeit aus Wolframkarbid gefertigt, das durch andere Materialien ersetzt werden kann.

Die Ausgangsleitungen des Schwingungserregers oder Oszillators sind an die Bohrungen 311 und 313 eines Flanschteiles 315 angeschlossen, der an das obere Ende eines rohrförmigen Gehäuses 317 eingesetzt ist. Durch den Flansch 315 erstreckt sich eine axiale Flüssigkeitsleitung 319, die im Anschluß an den Flansch durch ein den Hohlraum 323 des Gehäuses 317 durchlaufendes Rohr 321 sowie durch eine Bohrung in einem unteren Flanschteil 325 gebildet und von dort bis an die nicht dargestellte Bohrkrone weitergeführt ist. Der untere Flanschteil 325 enthält mehrere am Umfang verteilte Kanäle 329 größeren Querschnittes, welche den Hohlraum 323 mit dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum verbinden. .

Die Bohrung 311 steht direkt mit dem Hohlraum 323 in Verbindung, während die Bohrung 313 an ein wendelförmig gebogenes Rohr 331 angeschlossen ist, das als Verzögerungsleitung wirkt und mit seinem anderen Ende in den Hohlraum 323 mündet. Das Wendelrohr 331 mißt von der Unterseite des Flansches 315 bis zu seinem Mündungsende eine halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz des Schwingungserregers.

Im Betrieb des Ankopplungsgerätes nach F i g. 9 laufen die elastischen Schwingungen der in einem Diffusorkanal des Oszillators enthaltenen Spül- oder Bohrflüssigkeit durch die Bohrung 311 in den Hohlraum 323. Die Inertanz (mitschwingende Masse) der zueinander parallelen Bohrungen 311 und 313 mit den kombinierten Federungswiderständen des Hohlraumes 323 und des die Bohrkrone umgebenden Hohlraumes sind so bemessen, daß die Impedanz der Düsen an der Bohrkrone auf die Ausgangsimpedanz des Schwingungserregers abgestimmt ist. Die Bohrung 313 besitzt die gleichen Abmessungen und daher auch die gleiche Inertanz wie die Bohrung 311. Das eine halbe Wellenlänge lange gewundene Rohr 331 wirkt als Phasenschieber oder Phasenumkehrstufe, so daß die über die Bohrung 311 und über das Ausgangsende des Rohres 331 in den Hohlraum 323 eintretende Flüssigkeitsströmungen in Phase liegen. Mit dieser Anordnung wird in einem Schenkel eine Phasenumkehr von 180° sowohl des Druckes als auch der Strömung erreicht. Dies führt zu einer kombinierten Ausgangsimpedanz von Verzögerungsleitung und Oszillator von einem Viertel des für den Oszillator allein geltenden Wertes. Die charakteristische Impedanz der einen eine halbe Wellenlänge langen Verzögerungsleitung 323 sollte so ausgelegt sein, daß in der Leitung keine extrem hohen Drücke oder keine übermäßigen Reibungsverluste auftreten. Im Fall des Vorhandenseins extrem hoher Drücke müßten die Rohrwandungen äußerst dick ausgeführt sein.

Nachfolgend sind aus einem Ausführungsbeispiel Bemessungswerte für die Herstellung der verschiedenen Bauteile eines Ankopplungsgerätes nach F i g. 9 angegeben:

Die kombinierte Inertanz von Bohrung 311 im Flanschteil 315 und zugeordnetem Diffusorkanal des Oszillators betrug 311 · 10³ kg · sec²/m⁵. Die Inertanz der Bohrung 313 und des zugeordneten Diffusorkanals lag auf dem gleichen Wert. Die Länge der Verzögerungsleitung oder des Rohres 331, gemessen längs seiner Mittelachse, betrug 7,62 m, was der halben Wellenlänge einer mit 100 Hz in der Bohrflüssigkeit verlaufenden Schallwelle entspricht. Der kombinierte Federungswiderstand des Hohlraums 323 und des die Bohrkrone umgebenden Hohlraumes betrug 2,44 · 10~^u m⁵/kg. Wie oben erläutert, waren die Kanäle 329 im unteren Flanschteil 325 ausreichend groß und zahlreich, so daß sie so gut wie keine Inertanz enthalten. Die Impedanz der Düsen in der Bohr-" krone dieses Ankopplungsgerätes betrug 318 · 10⁶ kg • sec/m³, und der Wirkanteil der Ausgangsimpedanz des Flüssigkeitsoszillators zusammen mit der eine halbe Wellenlänge langen Verzögerungsleitung eines Schenkels betrug 43 kg · sec/m⁵. Der für die Endoder Lastimpedanz der Bohrkronendüse angegebene Wert ist kennzeichnend für Bohrvorgänge, bei denen die zur Zeit üblichen Hochdruckspülpumpen zur Verfügung stehen. Dieses Ankopplungsgerät mit der eine halbe Wellenlänge langen Phasenumkehrstufe hat sich zum Ankoppeln von Schwingungserregern mit einer eine halbe Wellenlänge langen Verzögerungsleitung in einem Schenkel an die in dem Hohlraum rund um die Bohrkrone befindliche Bohrflüssigkeit als nützlich erwiesen, deren Ausgangsimpedanzen niedriger liegen als die in den Düsen der Bohrkrone entstehende Lastimpedanz. Wenn dieses Gerät zum Ankoppeln von Schwingungserregern benutzt wird, die eine eine halbe Wellenlänge lange Verzögerungsleitung in einem Schenkel sowie höhere Ausgangsimpedanzen als die Lastimpedanz der Bohrkronendüsen aufweisen, so wird ein geringerer Wirkungsgrad erzielt. Ist die Ausgangsimpedanz des Erregers und der Verzögerungsleitung nur etwas niedriger als die Impedanz der Bohrkronendüsen, können die Abmessungen der akustisch wirkenden Elemente bei einer Betriebsweise mit 100 Hz zu Schwierigkeiten Anlaß geben. In diesen Fällen wird es zweckmäßig sein, die Betriebsfrequenz des Erregers so zu verändern, daß sich die Bemessungsschwierigkeiten umgehen lassen. Falls sich kein Kompromiß zwischen Abmessungen und Betriebsfrequenz finden läßt, wird man zweckmäßigerweise Ankopplungsgeräte der in F i g. 5 bis 8 angegebenen Art benutzen. Bei dem Ankopplungsgerät nach F i g. 9 sind nicht genügend Freiheitsgrade zur Anpassung der Ausgangsimpedanz des Erregers und der Verzögerungsleitung an die Lastimpedanz und zur gleichzeitigen Festlegung der ß-Zahl des Systems vor-

handen. Da jedoch ein Helmholtz-Resonator an die Flüssigkeit in dem Ringraum und ein weiterer an die Flüssigkeit in der Axialbohrung des Bohrstrangs angeschlossen ist, sind Verstellmöglichkeiten verfügbar, um die Q-Zahl des ganzen Systems auf einen wünschenswerten Pegel zu bringen.

Falls die körperliche Bemessung der Bauteile des Ankopplungsgerätes nach F i g. 9 schwierig werden sollte oder falls es erwünscht ist, ein Ankopplungsgerat mit einer hohen Q-ZaM zu besitzen und die Impedanz genau aufeinander abzustimmen, so können gewisse Abänderungen in der Anordnung nach F i g. 9 zweckmäßig sein. Beispielsweise können die. Kanäle 329 so bemessen werden, daß sie eine merkbare Inertanz erhalten und das Ankopplungsgerät in eine sogenannte π-Anordnung zur Impedanz-Anpassung umwandeln. Indem zwischen dem Hohlraum 323 und die die Bohrkrone umgebende Flüssigkeit eine merkbare Inertanz eingefügt wird, bleiben beide Hohlräume wirksam voneinander getrennt und lassen sich einzeln jeweils als ein besonderer Federwiderstand ansehen. Bei einer π-Anordnung sind Bemessungsschwierigkeiten weitgehend vermieden, und die Q-Zahl des Gerätes läßt sich unabhängig von dem Verhältnis Lastimpedanz zu Erregerimpedanz einrichten.

In folgendem sind Beispiele von Bemessungswerten akustischer Bauelemente in der zuvor beschriebenen abgeänderten Anordnung des Kupplungsgerätes nach F i g. 9 angegeben.

Die Inertanz der Bohrung 311 und des zugeordneten Diffusorkanais kann 108 · 10³ kg · sec²/m⁵ betragen, ebenso beträgt dann die Inertanz der Bohrung 313 und des zugeordneten Diffusorkanais 108 · 10³ kg

• sec²/m⁵. Die Länge des Phasenumkehrrohres 331 beträgt 7,62 m und der Federwiderstand des Hohlraums323 7,3 ■ ΙΟ"¹¹ m^ä/kg. Die Inertanz der Kanäle 329 beträgt 81 · 10³ kg ■ sec²/m⁵ 'ind der Federwiderstand der Bohrflüssigkeit in der Umgebung der Bohrkrone 5,04 · ΙΟ"¹¹ m⁵/kg. Diese Werte der Bauelemente führen zu einer Lastimpedanz von 154,8

• 10^fi kg · sec/m⁵ und zu einer Erregerausgangsimpedanz (Wirkanteil) von 86 · 10⁶kg · sec/m⁵.

Fig. 10 zeigt einen anderen Erreger341 für elastische Schwingungen, der auch als hydroakustischer Wandler bezeichnet werden kann, dessen Prinzip etwa dem Vorschlag gemäß USA.-Patentschrift 30 04 512 (Bouyoucos et al) entspricht. Zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren waren jedoch an dem bekannten Gerät Verbesserungen vorzunehmen. Darüber hinaus ist ein Ankopplungsgerät erforderlich, ,um Druckänderungen direkt in der Bohrlochsohle zu erzeugen.

Das Gerät341 nach Fig. 10 besteht aus einem Rohrkörper 343 mit einem Innengewinde 345 am oberen Ende, das mit einer Schwerstange oder einem anderen Teil des Bohrgestänges verschraubt wird, sowie mit einem unteren Gewinde 347 zur Verbindung mit einem Bohrmeißel. Außen auf den Rohrkörper 343 ist eine Hülse 349 bei 351 aufgeschraubt, so daß zwischen beiden Bauteilen Ringspalte 353, 355 und 357 entstehen. Die Hülse 349 kann mit dem Rohrkörper 341 auch aus einem Stück geformt sein, jedoch ist dadurch die Herstellung und die Wartung erschwert. In dem Ringspalt 355 befindet sich ein frei verschiebbares Ringventil 359, das weder an dem Rohrkörper 343 noch an der Hülse 349 befestigt ist.

Die oberhalb und unterhalb des Ventils befindlichen Spaltabschnitte 353 und 357 sind etwas breiter als das Ventil, wobei ein geringes Spiel C zwischen dem Ventil 359 und der Hülse 349 vorgesehen ist. Ein gleiches Spiel besteht zwischen dem Ventil 359 und dem Hohlkörper 343. Von beiden Enden des Ventils 359 stehen mehrere Füße 361 ab, die ebenfalls einen Abstand C von der Hülse 349 und vom Hohlkörper 343 aufweisen. Demzufolge besteht weder in dem dargestellten statischen Zustand noch im nachfolgenden beschriebenen Betriebszustand des Gerätes zwischen den einzelnen Bauteilen eine Berührung.

Die Hülse 349 ist mit einer radial gerichteten Auslaßöffnung 363 versehen, die mit einer ähnlichen Öffnung 365 im Ventil 359 ausgerichtet ist, wenn sich dieses in seiner mittleren Stellung befindet. Am unteren Ende 'ist die Hülse 349 ohne Unterstützung und umgibt einen Resonator 367 derart, daß beide Teile sich zueinander frei bewegen können, wobei als einzige Hinderung ein gegen Leckverluste vorgesehener Dichtungsring 369 vorhanden ist. Der Resonator 367 besitzt eine axiale Länge entsprechend einer halben Wellenlänge der von dem hydroakustischen Wandler erzeugten Schallwelle und ist mit dem Rohrkörper 343 an seiner Mitte 371 so verschraubt, daß die oberen und unteren Abschnitte jeweils eine viertel Wellenlänge lang sind. Oberhalb und unterhalb des befestigten Mittelteils 371 bestehen zwischen dem Hohlkörper und der Hülse 349 Abstände bzw. Zwischenräume 375 und 373. Die mittlere Befestigungsstelle des Resonators 373 bildet einen Verschiebungsknoten, und sowohl das obere Ende 377 als auch das untere Ende 379 bilden einen Verschiebungs-Wellenbauch (Druckknoten).

Der Rohrkörper 343 enthält eine Durchgangsbohrung 381 mit wenigstens einem, vorzugsweise mehreren zweischenkligen Rohren 383. Entsprechend Fig. 10 enthält jedes Rohr 383 einen gerade verlaufenden senkrechten Schenkel 385 sowie einen senkrechten offenen Schenkel 387, wobei letzterer in der Nähe seiner Längsmitte in Enden 389 und 391 ausläuft, die in Kanäle 393 und 395 eingeführt sind, welche sich quer durch die Wandung des Rohrkörpers 343 erstrecken und in die Ringräume 357 bzw. 353 beiderseits des Ventils 359 münden. Am oberen Ende jedes Rohres 383 sind die beiden Schenkel 385 und 387 miteinander verbunden und mit einer öffnung 397 versehen, durch die Spülschlamm aus der Durchgangsbohrung 381 eindringt, während die unteren Enden der Rohre ohne eine derartige öffnung miteinander verbunden sind. An Stelle der Rohre 383 könnten auch im Innern des Hohlkörpers 343 Bohrungen vorgesehen sein.

"Im Betrieb wird der Schwingungserzeuger 341 oberhalb der Bohrkrone 69 entsprechend F i g. 4 in den Bohrstrang eingesetzt. Über Drehtisch 71 und Mitnehmerstange 73 wird der Bohrstrang zusammen mit der Bohrkrone in Drehung versetzt. Die Spülpumpe 87 drückt die Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang an die Bohrlochsohle und von dort wieder zurück zur Erdoberfläche.

Der Spülschlamm innerhalb des Bohrstranges bzw. in der Durchgangsbohrung 381 des Schwingungserzeugers 341 nach Fig. 10 steht unter einem höheren Druck als die Bohrflüssigkeit außerhalb des Gerätes.

Demzufolge ft;.-3t Spülfiüssigkeit durch die öffnungen 397, durch die Rohre 383, durch die radial verlaufenden Öffnungen 393 und 395 des Rohrkörpers 343 in die Ringräume 357 und 353 und damit auch in den

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Spalt 355 rund um das Ventil 359 und von dort aus quenz, wobei die Strecken zwischen dem »Empfänden Öffnungen 365 und 363 in den nach oben strö- gerende« 411 und der Längsmitte 409 sowie zwischen menden Spülschlamm. der Längsmitte 409 und dem »Übertragungsende« 413

Der Abfluß der Spülflüssigkeit von innen nach jeweils eine halbe Wellenlänge lang ist. Eine Hülse außen wird ausgenutzt, um das Ventil 353 in Schwin- 5 415 ist an ihrem oberen Ende mit dem Unterteil 405 gungen zu versetzen, wie dies in den USA.-Patent- verschraubt, um den Ringraum 403 nach außen abzuschriften 27 93 804, 28 59 726 und insbesondere schließen, und an ihrem unteren Ende mit dem Se-30 04512 erläutert ist. Die schnelle Längsbewegung kundär-Resonator 407 an dessen Längsmitte verdes Ventils 359 erzeugt elastische Schwingungen in schraubt ist. Ein Dichtungsring 417 verhindert Leckden oberhalb und unterhalb liegenden Ringräumen io Verluste zwischen dem Resonator 407 und dem Unter-353 und 357. Der Resonator 367 wirkt als Ankopp- teil 405, die im übrigen jedoch in Axialrichtung frei lungsgerät, das die akustischen Wellen in die Bohr- relativ zueinander beweglich sind. An das untere flüssigkeit überträgt und durch deren Schwingungen Ende des Unterteils 405 ist eine Bohrkrone 419 aninnerhalb des Ringraums 353 angeregt wird. Da die geschraubt, so daß das untere Ende 413 des Reso-Länge des Resonators 367 gleich dem halben Wert 15 nators 407 die Schwingungen direkt auf die Spüleiner Wellenlänge der im Ringraum 353 mit bestimm- flüssigkeit in der Umgebung des Bohrmeißels überter Frequenz erzeugten elastischen Schwingungen ist, trägt.

entsteht dort eine stehende Welle. Das untere Ende In eine Öffnung im oberen Ende des Unterteils 405

379 des Resonators schwingt daher in Längsrichtung ist ein Verbindungsstück 421 eingeschraubt, das eine

und erzeugt Druckänderungen großer Amplitude, die 20 bei 425 zur Bildung einer Düse verengte Mittelboh-

durch den Spülschlamm bis zur Bohrlochsohle laufen. rung 423 enthält. Hinter der Verengung divergieren

Die Frequenz, bei der das Ventil 359 schwingt, ist die Kanalwände an der. Stelle 427 und teilen sich

eine Funktion der Kompressibilität der Spülflüssigkeit schließlich in eine zentrale Mittelbohrung 429 und

in den Ringräumen 353 und 357 sowie der Masse des eine diagonal verlaufende in den Resonator-Ringraum

Ventils 359. Da die Kompressibilität der Spülflüssig- 25 403 mündende Bohrung 431. In dem oberen Ende der

keit im wesentlichen konstant ist, obwohl deren Zu- Mittelbohrung 429 ist ein kurzes Rohr 433 befestigt,

sammensetzung in weiten Grenzen schwankt, kann dessen oberes leicht verjüngtes Ende 435 sich auf

die Frequenz auf einfache Weise durch Änderung einer Seite von der Achse des erweiterten Kanals 427

der Masse des Ventils 359 beeinflußt werden. befindet.

In Fig. 10 und 13 ist eine Anzahl von an beiden 3° Die pulsierende Beaufschlagung der Mittelbohrung Enden des Ventils 359 vorstehender Füße 361 darge- . 429 und der Diagonalbohrung 431 wird durch Rückstellt. Die Aufgabe dieser Füße besteht darin, das führungskanal 437 und 439 gesteuert, von denen der Ventil so zu stabilisieren, daß eine mechanische Be- erste sich von einem in der Mittelbohrung 429 münrührung zwischen Ventil 359, Hülse 349 und Rohr- denden Winkelstück 441 aus durch eine Querbohrung körper 343 unterbleibt und dadurch die Lebensdauer 35 443, durch eine axial gerichtete Bohrung 445 und eine des Ventils 359 erhöht wird. Um den Druck des obere oder rückwärtige Querbohrung 447 erstreckt, Flüssigkeitsfilmes rund um das Ventil zu erhöhen, die mit der Ebene ihrer Öffnung annähernd parallel läßt man das Ventil in bekannter Weise um seine zur Achse der Vorrichtung endet. In gleicher Weise Längsachse kreisen. Zu diesem Zweck wird die Spül- besteht der Rückführungskanal 39 aus einem Winkelflüssigkeit aus den Kanälen 393 und 395 sowie aus 40 stück 449, dessen Öffnung sich in der Diagonalbohden Rohrenden 389 und 391 nicht radial sondern ent- rung 431 befindet, die aus einer vorderen Querbohsprechend Fig. 12 quer in die Ringräume357 und rung451, einer axial gerichteten Bohrung453 und 353 abgegeben. Da die ausströmende Flüssigkeit mit aus einer oberen oder rückwärtigen Querbohrung einer Umfangskraft auf die Füße 361 auftrifft, wird 455, deren Öffnung annähernd parallel und diametral das Ventil 359 in Drehbewegung versetzt. 45 gegenüber derjenigen der Bohrung 447 angeordnet ist.

Der Einbau eines einzigen Rohres 383 ist unzweck- Die in den Unterteil 405 eingearbeiteten Bohrunmäßig, weil dadurch auf die Enden des Ventils 359 gen 443, 445, 447, 451, 453 und 455 sind nach außen ungleichförmige Kräfte einwirken, die zu einer durch Stopfen 457 und 459 verschlossen. Länge und Wobbel-Bewegung des Ventils führen und die Wahr- Querschnitt der Rückführungskanäle 437 und' 439 scheinlichkeit der unerwünschten mechanischen Be- 50 sind akustisch so aufeinander abgestimmt, daß eine rührung erhöhen. Zum Ausgleich des Druckes sind bestimmte Verzögerung entsteht zwischen dem Zeitmehrere gleichmäßige über den Umfang des Hohl- punkt, in dem eine Druckwelle in das Winkelstück körpers 385 verteilte Rohre 383 vorgesehen. . 441 (oder 459) eindringt und dem Zeitpunkt, wenn sie

Fig. 14 und 15 zeigen ein den Vorschlägen nach -· an dem offenen Ende der Querbohrung447 (oder USA.-Patentschriften 3111931 (Bodine) und 55 455) ankommt. Diese Verzögerung ist auf die Dichte 30 16 066 (Warren) ähnlich gestaltetes Ausfüh- der Spülflüssigkeit so abgestimmt, daß der Druckrungsbeispiel eines Erregergerätes für elastische anstieg im Hohlraum 403 seinen Maximalwert er-Schwingungen. Auch diesem Gerät fehlen Kolben- reichen kann, worauf dann ein Druckanstieg am Ausventile und andere bewegliche Teile, die sich fest- gangsende der Querbohrung 455 den Flüssigkeitsfressen und dadurch zu einem Betriebsausfall führen 60 strom von dem Diagonalkanal 431 in die Mittelbohkönnten. Bei'diesem Schwingungserreger 401 dient rung 429 ablenkt. Während der nächsten halben ein Ringraum 403 rund um den Körper des Erreger- Periode der Resonanzfrequenz des Hohlraums 403 Unterteils 405 als Primär-(Helmholtz)-Resonator, der strömt die Flüssigkeit in der Mittelbohrung 429 abeinen in seiner Längsmitte 409 mit dem Körper des wärts. Ein gleicher Verzug im Rückführungskanal Unterteils 405 in Verbindung stehenden, jedoch sonst 65 437 verzögert die Bildung einer Druckwelle an der in Längsrichtung frei schwingfähigen Sekundär-Reso- Ausgangsöffnung der Querbohrung 447. Wenn ein nator407 antreibt. Die Gesamtlänge des Resonators Druckanstieg an dieser Stelle auftritt, wird die entspricht einer halben Wellenlänge der Betriebsfre- Flüssigkeitsströmung in den Diagonalkanal 431 zu-

rückgeschaltet bzw. dorthin abgelenkt. Die im Schwingungserreger 401 abwärts strömende Flüssigkeit wird somit bei jeder halben Periode der Resonanzfrequenz des Hohlraums 403 zwischen den Bohrungen 429 und 431 umgeschaltet.

Die vorbeschriebenen Ablenk- oder Schaltvorgänge führen zur Erzeugung von elastischen Schwingungen hoher Amplitude am oberen Ende 411 des Resonators 407. Die Impedanz des Sekundär-Resonators 407 muß dazu an die am oberen und unteren Ende vorhandenen Berührungsmedien angepaßt sein, um einen wirksamen Energieübergang von dem mit der schwingenden Masse benachbarten Ende 411 in das von der Flüssigkeit umgebene Ende 413 zu ermöglichen.

Für den Fachmann auf dem Gebiet der akustischen Schwingungen liegt es im Bedarfsfall nahe, den Resonator 407 und benachbarte Bauteile so zu verändern, daß der untere Teil des Bohrloches, der die Bohrkrone 419 umgibt und das untere Ende des Resonators einen zweiten Helmholtz-Resonator bilden, um die Resonanz des Systems zu verbessern und die Amplitude oder die mit der Spülflüssigkeit auf die Bohrlochsohle übertragenen Druckschwankungen auf einen Höchstwert zu bringen.

Die im Betrieb des Erfmdungsgegenstarides üblichen Frequenzen liegen zwischen 30 und 1000 Hz. Die jeweils zweckmäßige Amplitude hängt in durchlässigen Formationen stark von dem Druckdifferential am Filterkuchen ab. Die Amplitude soll vorzugsweise dieses Druckdifferential zu dem Zeitpunkt dem Wert Null annähern, wenn der sich ändernde Druck seinen Minimalwert durchläuft. Bei undurchlässigem Gestein hängt die zweckmäßige Amplitude in gewissem Umfang von dem Druck der Spülfiüssigkeitssäule an der Bohrlochsohle ab: Druckänderungen zwischen 70 kg/cm² oberhalb und unterhalb des hydrostatischen Mitteldruckes sind mehr als ausreichend, um eine erhebliche Steigerung der Bohrgeschwindigkeit in durchlässigem Gestein zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung bringt einen beträchtlichen Fortschritt insofern mit sich, als die mit sonst üblichen Bohrgeräten erzielten Bohrgeschwindigkeiten erheblich gesteigert werden. Die erhöhten Bohrgeschwindigkeiten werden erreicht durch periodisches Verringern des Druckes an der Bohrlochsohle, durch periodisches Erhöhen der aus den Düsen der Bohrkrone austretenden Strahlgeschwindigkeit und durch periodisches Erhöhen der auf der Bohrkrone ruhenden Last, indem ein Schwingungserreger an die Spülflüssigkeit innerhalb des die Bohrkrone umgebenden Hohlraumes angekoppelt wird. Bei Verwendung von

ίο Bohrmeißeln mit Düsen werden die elastischen Schwingungen der Spülflüssigkeit stromab von den Düsen angekoppelt, damit nicht die hohe Impedanz der Düsen die Schwingungsübertragung beeinträchtigt. Um die elastischen Schwingungen möglichst wirksam in die im Hohlraum rund um die Bohrkrone befindliche Spülflüssigkeit einzuleiten und akustisch von den Böhrstranggliedern weitgehend zu isolieren, bewähren sich die vorgeschlagenen Ankopplungsgeräte erfolgreich. Auf Grund des Fehlens beweglieher mechanischer Bauteile wird die Unanfälligkeit und die lange Lebensdauer der Ankopplungsgeräte erhöht. Bei Flüssigkeitsankopplungsgeräten bestehen nur geringe Gefahren der Materialermüdungserscheinungen, während sich die Impedanz des Schwingungserregers auf einfache Weise an die Lastimpedanz der Düsen anpassen läßt, um einen guten Energieübergang zu erreichen.

Die Kombination von Schwingungserreger, Ankopplungsgerät und der Helmholtz-Resonatoren begrenzt den durch die Flüssigkeit in dem Bohrstrang •und in dem Ringraum nach oben gerichteten Energieverlust. Die Verwendung eines Stoßdämpfers oberhalb des Schwingungserregers begrenzt darüber hinaus den Energieverlust durch das Metall des Bohrstranges nach oben und bietet die Möglichkeit, daß die Bohrkrone leichter periodisch in die Erdformation hineingezogen wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bestimmter Gerätebauarten beschränkt. Vorteile sind auch dann zu erwarten, wenn andere Schwingungserreger, z. B. elektroakustische Wandler, eingesetzt werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung von Erdbohrungen unter Verwendung von periodischen Druckänderungen in der Spülflüssigkeit, bei dem eine am unteren Ende des Bohrstranges sitzende Bohrkrone zur Ausübung einer auf die zu durchbohrende Erdformation an der Bohrlochsohle wirkenden Kraft belastet wird und bei dem von der Erdoberfläche aus der Bohrstrang mit der Bohrkrone in Drehung versetzt und Spülflüssigkeit zwischen der Bohrlochsohle und der Erdoberfläche umgewälzt wird und bei dem die Druckänderungen im Bereich der Bohrkrone erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der die Bohrkrone umgebenden Spülflüssigkeit periodischen Schwankungen um seinen Durchschnittswert unterworfen wird, wobei der Bohrstrang von dem die Druckschwankungen erzeugenden Vorrichtung schwingungsmäßig isoliert bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Druckänderungen zwischen 30 und 1000 Hz liegt. .

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Druckänderungen etwa gleich dem an der Bohrlochsohle herrschenden hydrostatischen Druck ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderungen durch einen von der durch den Bohrstrang abwärts strömenden Flüssigkeit angetriebenen Schwingungserreger erzeugt werden und ein sonares Ankopplungsgerät mit der durch den Erreger strömenden sowie mit der die Bohrkrone umgebenden Spülflüssigkeit in Verbindung steht.

5. Vorrichtung zur Erzeugung und Übertragung elastischer Schwingungen auf eine im Bereich einer Bohrkrone befindliche Spülflüssigkeit bei Erdbohrungen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an einem Bohrstrangglied (67) befestigten Schwingungserreger (A) für elastische Schwingungen und durch ein ebenfalls an einem Bohrstrangglied befestigbares und an den Schwingungserreger (A) angeschlossenes sonares Ankopplungsgerät (B), das mit der Spülflüssigkeit in dem Hohlraum (222) schwingungsmäßig gekoppelt und gegen den Bohrstrang (67) schwingungsmäßig isoliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Schwingungserregers (A; 341) zwischen 30 und 1000Hz be- ^. trägt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der elastischen Schwingungen dem an der Bohrlochsohle herrschenden hydrostatischen Druck etwa gleich ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (A, 161) eine mit Spülflüssigkeit und bistabil arbeitende Bauart mit zwei Ausgangsschenkeln (189, 191, 201, 203) aufweist, und daß das Ankopplungsgerät (B) eine den einen Ausgangsschenkel (203) mit dem Umfang des Gerätes verbindende Strömungsleitung (213, 219) zur Übertragung der elastischen Schwingungen auf die Spülflüssigkeit in dem die Bohrkrone (224) umgebenden Hohlraum (222) aufweist sowie eine zweite gleichfalls in den die Bohrkrone umgebenden Hohlraum (222) mündende Strömungsleitung (225), die an den anderen Ausgangsschenkel (201) des Schwingungserregers (161) angeschlossenen und mit die Phasenlage der ankommenden Schwingungen umkehrenden sonaren Bauelementen (223, 209) versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Strömungsleitung (219) eine Inertanz und die andere Strömungsleitung (223, 209, 225) eine aus Inertanz und Federwiderstand bestehende Anordnung bildet, welche die Phasenlage der die darin befindliche Spülflüssigkeit durchlaufenden elastischen Schwingungen in der Weise umkehrt, daß die Schwingungen beider Strömungsleitungen (219,225) aufeinander abgestimmt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Strömungsleitung (311, 323) eine Inertanzanordnung und die andere Strömungsleitung (313, 331) eine halbe Wellenlänge lange Verzögerungsleitung (331) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Frequenz des Schwingungserregers (A) abgestimmter und mit der Vorrichtung verbundener Resonator (D) mit seinem Eingang etwa eine viertel Wellenlänge der erzeugten Welle oder ein ungerades Vielfaches dieses Wertes oberhalb des die Bohrkrone (224) umgebenden Hohlraumes angeordnet ist und mit der darin befindlichen Spülflüssigkeit in Verbindung steht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang eines auf die Frequenz des Schwingungserregers (Λ) abgestimmten und mit der Vorrichtung verbundenen Resonators (C) an die Axialbohrung (121) in dem Bohrstrang angeschlossen und etwa eine halbe Wellenlänge oder ein Mehrfaches dieses Wertes oberhalb der Bohrkronendüsen angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang eines zweiten auf die Frequenz des Schwingungserregers (A) abgestimmten und mit der Vorrichtung verbundenen Resonators (C) an die Axialbohrung in dem Bohrstrang angeschlossen und etwa eine halbe Wellenlänge oder um ein Mehrfaches dieses Wertes oberhalb der Bohrkrone (224) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoßdämpfer etwa eine halbe Wellenlänge der erzeugten Welle oder ein Mehrfaches von diesem Wert oberhalb der Bohrkrone in den Bohrstrang eingebaut ist.