DE1558977C3

DE1558977C3 - Rock drilling method and apparatus for carrying out the method

Info

Publication number: DE1558977C3
Application number: DE19671558977
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Hughes Tool Co
Current assignee: Hughes Tool Co
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1967-07-25
Publication date: 1976-05-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrverfah unter Anwendung von periodischen Druckänder gen in einer Spülflüssigkeit, bei dem eine am unte Ende eines Bohrstranges angebrachte Bohrkrone lastet, von der Erdoberfläche aus der Bohrstrang der Bohrkrone in Drehung versetzt und die Spüli sigkeit durch den Bohrstrang zur Bohrlochsohle über den Ringraum zurück zur Erdoberfläche urr wälzt wird, wobei zumindest in dem die Bohrkr umgebenden Hohlraum des Bohrloches elastis Schwingungen in die Spülflüssigkeit induziert wert Gemäß dem deutschen Patent 15 33 607 sind beiThe invention relates to a rock drilling method using periodic pressure changes gene in a flushing liquid, in which a drill bit attached to the lower end of a drill string weighs, from the surface of the earth from the drill string of the drill bit in rotation and the rinsing fluid through the drill string to the bottom of the borehole via the annulus back to the earth's surface urr is rolled, with elastic at least in the cavity of the borehole surrounding the Bohrkr Vibrations in the rinsing liquid induced worth According to German patent 15 33 607 are at

Verfahren und Geräte vorgeschlagen worden, wei Druckänderungen in der Spülflüssigkeit ausnut; um den an der Bohrlochsohle herrschenden Dr periodisch zu verringern und um die Strahlaustritts schwindigkeit sowie die Bohrkronenlast zur Erhöh; der Bohrgeschwindigkeit zu vergrößern. Die da ausgenutzten Druckänderungen werden jedoch wesentlichen nur dem die Bohrkrone umgebem Hohlraum zugeführt. Die in der Spülflüssigkeit inn halb des die Bohrkrone umgebenden Hohlraums zeugten Druckänderungen haben die Wirkung, t die Bohrkrone bei den periodischen Druckerhöh: gen entlastet und bei den darauf erfolgenden Dru minderungen und dem sich daraus ergebenden Sa effekt kraftvoll in die Bohrlochsohle hineingezoj: wird.Methods and apparatus have been proposed that utilize changes in pressure in the flushing liquid; to periodically reduce the Dr at the bottom of the borehole and to reduce the jet exit speed as well as the drill bit load to increase; to increase the drilling speed. That one however, utilized pressure changes are essentially only encompassed by the drill bit Supplied cavity. The half of the cavity surrounding the drill bit in the flushing fluid The pressure changes generated have the effect, t the drill bit at the periodic pressure increase: gen relieved and with the subsequent pressures and the resulting Sa effect powerfully drawn into the bottom of the borehole: is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren der eingangs angegebenen Gattung dah gehend zu verbessern, daß die in der -Spülflüssigk erzeugten Druckänderungen noch verstärkt und ( durch die erziclbaren Bohrgeschwindigkeiten erh< werden können.The invention is based on the object of providing methods of the type specified at the outset going to improve so that the pressure changes generated in the flushing liquid intensified and ( can be increased by the achievable drilling speeds.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch [ löst, daß gleichzeitig in die sich in einem Bohrstrc oberhalb der Bohrkrone befindlichen Hohlraum 1 findende Spülflüssigkeit elastische Schwingungen duziert werden, welche gegenüber den Schwingung in dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum pl senverschoben sind.According to the invention, this object is achieved in that, at the same time, in a drill string Rinsing fluid located above the drill bit cavity 1 finds elastic vibrations are reduced, which compared to the vibration in the cavity surrounding the drill bit pl are shifted.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden :■ mit zusätzlich zu den gemäß dem älteren Vorsch' in dem die Bohrkrone umgebenden äußeren Ho raum induzierten sonaren Schwingungen nunme auch in einem unmittelbar oberhalb der Bohrkro im Bohrstrang befindlichen Hohlraum derart: Druckänderungen erzeugt, wodurch der an der BoI lochsohle herrschende Druck periodisch verring und die Strahlaustrittsgeschwindigkeit der Spülfli sigkeit aus den Düsen sowie die Bohrkronenlast ; riodisch erhöht werden können. Die sonaren SchwIn the method according to the invention: ■ with in addition to the according to the older advance 'in the outer hoop surrounding the drill bit Room-induced sonar vibrations now also in a directly above the Bohrkro in the drill string located cavity such: pressure changes generated, whereby the at the BoI The pressure prevailing on the bottom of the hole periodically decreases and the jet exit speed of the rinsing fli fluid from the nozzles as well as the drill bit load; can be increased periodically. The sonar Schw

gungen vergrößern und verringern periodisch die Strahlaustrittsgeschwindigkeit der durch die Düsen der Bohrkrone strömenden Spülflüssigkeit. Auf Grund der hohen Impedanz der Bohrkronendüsen gelangt nur ein geringer Prozentsatz der im Innern des Bohrstrangs oberhalb der Bohrkrone erzeugten Druckänderungen in den die Bohrkrone umgebenden äußeren Hohlraum. Gleichzeitig werden in einem anderen außerhalb der Bohrkrone vorgesehenen Hohlraum sonare Schwingungen induziert, die mit den im inneren Hohlraum induzierten Schwingungen um 180° phasenverschoben sind. Diese zueinander phasenverschobenen Druckänderungen läßt man erfindungsgemäß so miteinander in Wechselwirkung treten, daß dadurch stärkere Änderungen in den Strahlaustrittsgeschwindigkeiten eintreten, was sich wiederum auf eine merkliche Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit auswirkt.Periodically increase and decrease the jet exit speed through the nozzles the drilling bit flowing flushing fluid. Due to the high impedance of the drill bit nozzles only a small percentage of that generated inside the drill string reaches above the drill bit Changes in pressure in the outer cavity surrounding the drill bit. At the same time be in another outside of the drill bit provided cavity induced sonar vibrations, which with the im inner cavity induced vibrations are 180 ° out of phase. These out of phase with each other According to the invention, changes in pressure are allowed to interact with one another in such a way that that greater changes occur in the jet exit speeds, which is in turn has the effect of a noticeable increase in drilling speed.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung und Übertragung elastischer, phasenverschobener Schwingungen auf eine Spülflüssigkeit, mit einem in einen Bohrstrang einsetzbaren Gehäuse, welches im oberen Teil einen elastischen Schwingungserreger mit zwei Ausgangsschenkeln trägt, mit einem sonaren Koppler in dem Gehäuse, welcher im Bereich eines sich oberhalb der Bohrkrone im Bohrstrang und eines nahe der Bohrkrone im Ringraum zwischen Bohrstrang und Bohrlochwand befindlichen sonaren Hohlraums angeordnet ist, wobei die elastischen Schwingungen in den beiden Ausgangsschenkeln des elastischen Schwingungserregers und in den beiden sonaren Hohlräumen im wesentlichen phasenverschoben sind, ist zur Durchführung des weiter oben beschriebenen Verfahrens erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Direktstromflüssigkeitsblock in dem sonaren Koppler, durch den der Direktstrom der Spülflüssigkeit in den die Bohrkrone umgebenden Hohlraum blockiert ist.A device for generating and transmitting elastic, phase-shifted vibrations a flushing fluid, with a housing which can be inserted into a drill string and which has a elastic vibration exciter with two output legs, with a sonar coupler in the Housing, which is in the area of one above the drill bit in the drill string and one near the drill bit arranged in the annular space between the drill string and the borehole wall located sonar cavity is, the elastic vibrations in the two output legs of the elastic vibration exciter and are substantially out of phase in the two sonic cavities, is to Implementation of the method described above according to the invention, characterized by a Direct flow liquid block in the sonic coupler through which the direct flow of irrigation liquid in the cavity surrounding the drill bit is blocked.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigtThe invention is explained below with reference to the exemplary embodiments shown in the figures. It indicates

Fig. 1A, teilweise im Längsschnitt, eine Bohrkrone mit einer daran angeschlossenen Vorrichtung nach der Erfindung, bestehend aus einem Schwingungserreger und einem Koppler zum Indizieren von Druckänderungen in den inneren und äußeren Hohlräumen,Fig. 1A, partially in longitudinal section, a drill bit with an attached device according to the Invention, consisting of a vibration exciter and a coupler for indicating pressure changes in the inner and outer cavities,

Fig. IB, teilweise in Längsschnitt, einen rohrförmigen Träger mit zwei Helmholtz-Resonatoren, wobei der untere mit Gewinde versehene Teil der Vorrichtung nach Fig. IB im Betrieb mit dem oberen Gewinde der Vorrichtung nach Fig. IA verbunden ist,Fig. IB, partially in longitudinal section, a tubular Carrier with two Helmholtz resonators, the lower threaded part of the device According to FIG. IB connected in operation to the upper thread of the device according to FIG. IA is,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. IA,Fig. 2 is a cross section along the line II-II of Fig. IA,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt des unteren Teils der Vorrichtung nach Fig. IA,3 shows a perspective illustration in partial section of the lower part of the device according to FIG Fig. IA,

Fig. 4 einen Teilschnitt der Vorrichtung nach Fig. IA und4 shows a partial section of the device according to FIGS

Fig. 5 einen Teilschnitt einer abgeänderten Form der Vorrichtung nach Fig. IA.Fig. 5 is a partial section of a modified form of the device of Fig. 1A.

Fig. IA zeigt eine Vorrichtung mit einem bistabilen elastischen Schwingungserreger A zur Erzeugung von Druckänderungen in der Spülflüssigkeit stromauf von den Bohrkronendüsen sowie von dazu um etwa 180° phasenverschobenen Druckänderungen in dem die Bohrkrone umgebenden äußeren Hohlraum.1A shows a device with a bistable elastic vibration exciter A for generating pressure changes in the flushing fluid upstream of the drill bit nozzles and pressure changes in the outer cavity surrounding the drill bit that are phase-shifted by approximately 180 °.

Zur Übertragung von Druckänderungen des elastischen Schwingungserregers A in einen über den Düsen der Bohrkrone liegenden inneren Hohlraum und in den die Bohrkrone umgebenden Hohlraum wird ein sonarer Koppler verwendet. Eine Bohrkrone C ist an das untere Ende des Gehäuses D angeschlossen. Die Bohrkrone C kann genormte Strahldüsen aufweisen, die nicht näher dargestellt sind.A sonar coupler is used to transmit pressure changes of the elastic vibration exciter A into an inner cavity lying above the nozzles of the drill bit and into the cavity surrounding the drill bit. A drill bit C is attached to the lower end of the housing D. The drill bit C can have standardized jet nozzles, which are not shown in detail.

Bei der in Fig. IA dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das obere Ende des Gehäuses D zumIn the preferred embodiment shown in Fig. IA, the upper end of the housing D for

ίο Anschluß an den Vorrichtungsteil gemäß Fig. IB mit einem Gewinde 11 versehen. Der Schwingungserreger A ist in einem Träger 13 eingebaut, der innerhalb des oberen Bereiches des Gehäuses D angebracht ist. Der Träger 13 hat eine obere axiale Ausbohrung 15, welche mit einer axialen Ausbohrung 17 einer Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 in Verbindung steht. Der Träger 13 besteht aus zwei Teilen 21 und 23, wie in der Fig. 2 dargestellt ist, so daß die Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 bequem darin eingebaut werden kann.ίο Provide the connection to the device part according to FIG. 1B with a thread 11. The vibration exciter A is built into a bracket 13 which is attached within the upper region of the housing D. The carrier 13 has an upper axial bore 15 which is connected to an axial bore 17 of a liquid oscillator unit 19. The carrier 13 consists of two parts 21 and 23, as shown in Fig. 2, so that the liquid oscillator unit 19 can be conveniently installed therein.

Geeignete Dichtungsmittel (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um alle durch eine Antriebsdüse 24 der Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 fließende Flüssigkeit zurückzuhalten.
Die Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 kann grundsätzlich dieselbe sein wie in dem deutschen Patent 15 33 607, gemäß welchem jedoch nur ein Teil der gesamten verfügbaren Spülung durch die Antriebsdüse fließt. Jedoch in dem Apparat der F i g. 1 fließt der gesamte Direktstrom durch einen Ausgangsschenkel 25 des Flüssigkeitsoszillators, während er in Richtung des anderen Ausgangsschenkels 27 gesperrt ist. In besagtem Patent besteht ein Direktstrom durch beide Ausgangsschenkel. Sonst ist die FlüssigkeitEoszillatoreinheit 19 im wesentlichen identisch mit dem Flüssigkeitsoszillator dieser Anmeldung. So sind z.B. die Rückkopplungskanäle durch die Durchgänge 29, 31 und 33, 35 bestimmt, weiche miteinander durch die respektiven axial gerichteten Ausbohrungen oder Kammern 37,39 (siehe insbesondere Fig. 2) miteinander in Verbindung stehen. Appropriate sealing means (not shown) are provided to contain any liquid flowing through a drive nozzle 24 of the liquid oscillator unit 19.
The liquid oscillator unit 19 can in principle be the same as in German Patent 15 33 607, according to which, however, only a part of the total available flush flows through the drive nozzle. However, in the apparatus of FIG. 1, the entire direct current flows through one output leg 25 of the liquid oscillator, while it is blocked in the direction of the other output leg 27. In said patent there is a direct current through both output legs. Otherwise the liquid oscillator unit 19 is essentially identical to the liquid oscillator of this application. For example, the feedback channels are determined by the passages 29, 31 and 33, 35, which are connected to one another through the respective axially directed bores or chambers 37, 39 (see in particular FIG. 2).

Der Träger 13 steht mit dem oberen Ende eines Flansches 41 in Eingriff, dessen Umfangsfläche in Berührung mit dem Gehäuse D gegen dasselbe durch geeignete Mittel abgedichtet ist, wobei der zylindrische Körper 42 des Kopplungsgerätes und die innere zylindrische Fläche des Gehäuses D einen kreisringförmigen Hohlraum 45 bilden. Der axiale Hohlraum 43 steht mit dem Ausgangsschenkel 25 der Flüssigkeitsoszillatoreinheit in Verbindung, während der kreisringförmige Hohlraum 45 mit dem Ausgangsschenkel 27 verbunden ist. Beide Ausgangsschenkel stehen in Verbindung mit und erstrecken sich von den respektiven Diffusorkanälen 47, 49 der Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 durch den Träger 13. Ein Durchlaß 51 erstreckt sich durch den Flansch 41, um den Ausgangsschenkel 27 mit dem kreisringförmigen Hohlraum 45 zu verbinden.The carrier 13 engages the upper end of a flange 41, the peripheral surface of which in contact with the housing D is sealed against the same by suitable means, the cylindrical body 42 of the coupling device and the inner cylindrical surface of the housing D forming an annular cavity 45 . The axial cavity 43 is connected to the output limb 25 of the liquid oscillator unit, while the annular cavity 45 is connected to the output limb 27. Both output legs are in communication with and extend from the respective diffuser channels 47, 49 of the liquid oscillator unit 19 through the support 13. A passage 51 extends through the flange 41 to connect the output leg 27 to the annular cavity 45.

Druckänderungen oder akustische Schwingungen, die in der Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 erzeugt werden, werden durch den Ausgangsschenkel 25, den axialen Hohlraum 43 und eine axiale Bohrung 55 im unteren Teil des Gehäuses D in einen innerhalb der Bohrkrone direkt über den Düsen gelegenen Hohlraum geleitet. Der axiale Hohlraum 43, die axiale Bohrung 45 und der Hohlraum im Inneren der Bohrkrone stellen einen einzelnen sonaren Hohlraum dar, der nachfolgend als »innerer sonarer Hohlraum« be-Changes in pressure or acoustic vibrations generated in the liquid oscillator unit 19 are passed through the output leg 25, the axial cavity 43 and an axial bore 55 in the lower part of the housing D into a cavity located within the drill bit directly above the nozzles. The axial cavity 43, the axial bore 45 and the cavity in the interior of the drill bit represent a single sonar cavity, which is hereinafter referred to as the "inner sonar cavity"

zeichnet wird.is drawn.

Der Ausgangskanal 27 ist durch den Durchlaß 51 mit dem kreisringförmigen Hohlraum 45 und mit einer Anzahl großer Kanäle 59 im Gehäuse D, die zu dem die Bohrkrone C umgebenden Hohlraum gerichtet sind, verbunden. Der kreisringförmige Hohlraum 45, die Kanäle 59 und der die Bohrkrone umgebende Hohlraum stellen einen anderen einzelnen sonaren Hohlraum dar, der nachfolgend als »äußerer sonarer Hohlraum« bezeichnet wird. Ein Direktstromfluß durch diesen Hohlraum wird durch einen Direktstromblock 61 verhindert, welcher in diesem Fall eine Anzahl axial getrennter einzelner nachgiebiger Glieder 63 von kreisringförmiger Form begreift und welcher dicht mit dem Inneren des Gehäuses D und der Außenseite des zylindrischen Körpers 42 in Eingriff steht. Die dichte Verbindung wird erzielt, indem die inneren und äußeren Umfangskanten 64, 66 (siehe Fig. 4) eines jeden nachgiebigen Gliedes mit zwei konzentrischen, axial verlaufenden Metallhülsen 67, 69 verbunden werden. Dichtungsmittel 71, 73 können, wie in Fig. IA und 4 gezeigt, vorgesehen werden, um einen Flüssigkeitsstrom längs den kreisringförmigen Hülsen und den passenden Flächen des Gehäuses D und des zylindrischen Körpers 42 zu verhindern.The outlet channel 27 is connected through the passage 51 to the annular cavity 45 and to a number of large channels 59 in the housing D which are directed towards the cavity surrounding the drill bit C. The annular cavity 45, the channels 59 and the cavity surrounding the drill bit represent another single sonic cavity, which is referred to below as the "outer sonic cavity". A direct current flow through this cavity is prevented by a direct current block 61 which in this case comprises a number of axially separated individual resilient members 63 of annular shape and which is tightly engaged with the interior of the housing D and the exterior of the cylindrical body 42. The tight connection is achieved by connecting the inner and outer peripheral edges 64,66 (see FIG. 4) of each resilient member with two concentric, axially extending metal sleeves 67,69. Sealing means 71, 73, as shown in FIGS. 1A and 4, may be provided to prevent fluid flow along the annular sleeves and mating surfaces of the housing D and cylindrical body 42.

Während des Betriebes des soeben beschriebenen Gerätes fließt Flüssigkeit von der Spülpumpe (nicht gezeigt) durch den Bohrstrang abwärts und durch die Antriebsdüse 24 der Flüssigkeitsoszillatoreinheit, welche bedingt, daß die Flüssigkeit abwechselnd in Diffusorkanäle 47, 49 fließt. Die sonare Inertanz der Diffusorkanäle 47, 49 und der Ausgangsschenkel 25, 27 wirken mit dem respektiven inneren und äußeren sonaren Hohlraum zusammen, um Helmholtz-Resonatoren zu formen, welche bei der Betriebsfrequenz des Flüssigkeitsoszillators in Resonanz sind.During the operation of the device just described, liquid flows from the flushing pump (not down through the drill string and through the drive nozzle 24 of the liquid oscillator unit, which means that the liquid flows alternately into diffuser channels 47, 49. The sonic inertia of the Diffuser channels 47, 49 and the output leg 25, 27 act with the respective inner and outer sonar cavity together to form Helmholtz resonators, which operate at the frequency of operation of the liquid oscillator are in resonance.

Der abwechselnde Flüssigkeitsstrom in die Diffusorkanäle 47, 49 bedingt große Druckänderungen in der Flüssigkeit, welche im wesentlichen 180° in dem äußeren und inneren sonaren Hohlraum phasenverschoben sind. Die großen Druckänderungen in diesen Hohlräumen, bedingt durch deren Phasenverschiebung, bewirken große Flußänderungen in den Düsen der Bohrkrone. Die Wirkung des Betriebes des Gerätes kann als eine Gegentaktanordnung bezeichnet werden, welche durch die Bohrkrone hindurch wirkt. Wenn der Druck in dem äußeren Hohlraum minimal ist, so wird der Druck im inneren Hohlraum ein Maximum sein und wird eine extrem hohe Strahlgeschwindigkeit zusammen mit einem minimalen an der Bodensohle herrschenden Druck hervorrufen.The alternating flow of liquid into the diffuser channels 47, 49 causes large changes in pressure in the fluid, which is substantially 180 ° out of phase in the outer and inner sonar cavities are. The large pressure changes in these cavities, due to their phase shift, cause large changes in flow in the nozzles of the drill bit. The effect of the operation of the device can be referred to as a push-pull arrangement which acts through the drill bit. When the pressure in the outer cavity is minimal, the pressure in the inner cavity becomes a maximum and will be an extremely high jet velocity along with a minimal at the bottom of the floor create prevailing pressure.

Vorzugsweise sollen die Druckänderungen in der Flüssigkeit in dem äußeren und inneren sonaren Hohlraum 180° phasenverschoben sein. Die nützlichen Wirkungen der in den obengenannten Hohlräumen induzierten Druckänderungen werden sich verringern und schließlich verschwinden, in dem Maße, wie.sich die Druckänderungen dem Phasengleichheitsverhältnis nähern. So sollen die Druckänderungen stromaufwärts und stromabwärts der Bohrkro-, nendüsen so nahe als möglich um 180° phasenverschoben sein, um eine maximale Wirksamkeit zu erzielen.Preferably, the pressure changes in the liquid should be in the outer and inner sonars Cavity 180 ° out of phase. The beneficial effects of the cavities in the above induced pressure changes will decrease and eventually disappear as the how the pressure changes approach the phase equilibrium ratio. So should the pressure changes upstream and downstream of the drill bit nozzles out of phase by 180 ° as close as possible for maximum effectiveness.

Der Direktstromblock 61 ist in den kreisringförmigen Hohlraum 45 eingesetzt, um einen Direktstrom durch diesen Hohlraum und durch die Kanäle 59 hindurch in den Ring zu verhindern. Der Direktstromblock besteht in diesem !-"alle aus einer Anzahl von nachgiebigen kreisringförmigen Gliedern.
Glieder sind vorbildlich Elastomere von hoher Festi: keit und von ungefähr 0,317 cm Dicke. Solche Direk Stromblöcke müssen dem ganzen Druckabfall dun.The direct flow block 61 is inserted into the annular cavity 45 in order to prevent a direct flow through this cavity and through the channels 59 into the ring. The direct current block consists in this! - "all of a number of resilient circular members.
Links are exemplary elastomers of high strength and about 0.317 cm thick. Such direct flow blocks must withstand the entire pressure drop.

die Düsen der Bohrkrone standhalten und sind wi gezeigt angeordnet, so daß jedes einzelne Glied eine proportionalen Anteil der gesamten Druckdifferer. durch die Düsen der Bohrkrone aufnimmt. Des weite ren muß jedes Glied, welches stark genug ist, um einethe nozzles of the drill bit withstand and are arranged as shown so that each individual link is a proportional share of the total pressure differentials. picks up through the nozzles of the drill bit. The vastness Every limb that is strong enough to hold a

ίο proportionalen Teil des Druckabfalls durch die Düse aufzunehmen, aber auch sehr elastisch ist, damit c eine vernachlässigbare Impedanz für den Durchgan der Schwingungen darstellt. Ein oder mehrere gt bohrte Löcher 77 in der Hülse 69 (siehe Fig. 4), di durch Stöpsel 79 abgedichtet sind, werden in jeder Paar nachgiebiger Glieder 63 angeordnet, derart, da die sich dazwischen befindlichen Räume von der Lui entleert werden können, um gänzlich mit einer geeig neten Flüssigkeit gefüllt zu werden, so daß sich jede Glied gleich lang ausdehnen wird, wenn der Direk; stromblock einem Druckabfall durch die Düsen dt Bohrkrone unterworfen ist.ίο proportional part of the pressure drop through the nozzle but is also very elastic, so that c is a negligible impedance for the passage which represents vibrations. One or more> drilled holes 77 in the sleeve 69 (see FIG. 4), i sealed by plugs 79 are placed in each pair of resilient members 63 such that the spaces in between can be emptied from the Lui to completely suit need to be filled with liquid so that each limb will expand equally long when the direct; flow block is subjected to a pressure drop through the nozzles dt drill bit.

In einer Gegentaktanordnung, wie in Fig. 1 gezeigt, und wenn man annimmt, daß die Druckändt rungen in dem inneren Hohlraum und dem äußere Hohlraum im wesentlichen gleich und um 180° pht senverschoben sind, wird ein Rückstrom durch di Düsen allemal entstehen, wenn die Spitzenänderun des Druckes in jedem dieser Hohlräume die Hälft des Durchschnittsdruckabfalls durch die Düsen de Bohrkrone überschreitet. Rückströme von großer Betrag sind unerwünscht, da sie die Sohle nicht günsti reinigen, jedoch eine beträchtliche Leistung verbrau chen. Falls Spitzendruckänderungen in dem äußere Hohlraum in einem Betrag größer als die Hälfte de Durchschnittsdruckabfalls durch die Düsen der Bohr krone erwünscht sind, so kann ein Rückstrom dennoc vermieden werden, wenn das Gerät so konstruiei wird, daß die Summe der Spitzendrücke in dem inne ren und äußeren Hohlraum nie den Durchschnitte druckabfall durch die Bohrkrone überschreitet. Die kann dadurch erreicht werden, daß der innere Höh; raum beträchtlich größer als der äußere Hohlraur hergestellt wird, und durch Verwendung geeignete Inertanzen in Verbindung mit jedem dieser Hohl räume, so daß diese bei der Betriebsfrequenz in Reso nanz sind.In a push-pull arrangement as shown in Fig. 1 and assuming that the pressure changes Ments in the inner cavity and the outer cavity substantially the same and by 180 ° pht are shifted, there will always be a backflow through the nozzles if the tip changes of the pressure in each of these cavities is half the average pressure drop through the nozzles Drill bit exceeds. Return currents of large magnitude are undesirable because they do not favor the sole clean, but consume a considerable amount of power. In case of peak pressure changes in the outer Void by an amount greater than half the mean pressure drop through the nozzles of the Bohr crowns are desired, a back current can then be avoided if the device is constructed in this way becomes that the sum of the peak pressures in the inner and outer cavity never the average pressure drop through the drill bit exceeds. This can be achieved in that the inner height; space is made considerably larger than the outer cavity, and by using suitable Inertances in connection with each of these cavities, so that they are in Reso at the operating frequency are nanz.

Wie bereits erwähnt, ist der Direktstromfluß durci die Ausgangskanäle der Flüssigkeitsoszillatoreinhei 19 unsymmetrisch, bedingt durch den Direktstrom block in dem kreisringförmigen Hohlraum 45. Fall es erwünscht ist, das Gerät so zu konstruieren, da: die Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 symmetrisch ar beitet, kann eine Leitung 81 (siehe Fig. 5) von halbe Wellenlänge zwischen dem oberen Bereich des kreis ringförmigen Hohlraumes durch den zylindrische Körper 42 in den axialen Hohlraum 43 angeschlosse werden, um eine Schwingungs-Isolation zwischen der oben beschriebenen inneren oder äußeren Hohlraur zu bewirken, während ein Direktstromfluß vom obe ren Bereich des Hohlraumes 45 in den axialen Höh! raum 43 ermöglicht wird. Der Durchmesser der Lei tung von halber Wellenlänge soll so klein als möglic sein, ohne jedoch einen hohen Direktstromflußdruck abfall entlang der Leitung zu verursachen.As previously mentioned, the direct current flow is through the output channels of the liquid oscillator unit 19 asymmetrical, due to the direct flow block in the annular cavity 45th case it is desirable to construct the apparatus so that: the liquid oscillator unit 19 is symmetrical Operates, a line 81 (see Fig. 5) of half a wavelength between the top of the circle annular cavity through the cylindrical body 42 in the axial cavity 43 connected be to a vibration isolation between the inner or outer cavity described above to cause, while a direct current flow from the obe ren area of the cavity 45 in the axial height! room 43 is made possible. The diameter of the line of half the wavelength should be as small as possible be without, however, causing a high direct current flow pressure drop along the line.

Um den Leitungsabfall vom Ring an zu verringer oder zu vermeiden, wird ein Helmholtz-Resonator 8 (siehe Fig. IB) eines rohrförmigen Trägers 84 mA Helmholtz resonator 8 is used to reduce or avoid the line drop from the ring (see Fig. IB) of a tubular support 84 m

seiner öffnung 85 eine Viertelwellenlänge über dem die Bohrkrone umgebenden Hohlraum angebracht, wie in obengenannter deutscher Offenlegungsschrift ausführlich beschrieben ist. Ferner kann es vorteilhaft sein, einen weiteren Helmholtz-Resonator 87 mit seiner Öffnung 89 in Verbindung mit der axialen Ausbohrung 91 eine halbe Wellenlänge über der An- · triebsdüse 24 der Flüssigkeitsoszillatoreinheit 19 anzubringen, um so einen Leistungsverbrauch stromaufwärts durch die die Bohrstrangglieder durchströmende Flüssigkeit zu vermeiden. Vorzugsweise kann auch ein Stoßdämpfer oder ein Bohrstrangglied von hoher reziproker Steifigkeit eine halbe Wellenlänge oberhalb der Bohrkrone in das Material oberhalb der Bohrkrone eingefügt werden.its opening 85 is attached a quarter wavelength above the cavity surrounding the drill bit, as is described in detail in the above-mentioned German Offenlegungsschrift. It can also be beneficial be another Helmholtz resonator 87 with its opening 89 in connection with the axial bore 91 half a wavelength above the drive nozzle 24 of the liquid oscillator unit 19 to be attached so as to reduce power consumption upstream by the drilling string members flowing through Avoid liquid. Preferably, a shock absorber or drill string member of high reciprocal stiffness half a wavelength above the drill bit into the material above the Drill bit can be inserted.

Als Beispiel können die folgenden Herstellungsangaben dienen, welche verwendet werden können, um das Gerät nach Fig. 1 zu konstruieren, welches in 20-cm-Löchern verwendet werden kann und bestimmt ist, um bei einer Frequenz von 100 Perioden pro Sekünde zu arbeiten.As an example, the following manufacturing information can serve, which can be used to to construct the device of Fig. 1, which in 20 cm holes Can be used and is intended to operate at a frequency of 100 periods per second to work.

Manche der Herstellungsangaben über das Gerat werden durch die Schwingungswerte eher als durch Angabe der physikalischen Abmessungen der verschiedenen Kanäle und Hohlräume angegeben. Die physikalischen Abmessungen der Kanäle und Volumen der schwingungsmäßig beaufschlagten Elemente können durch die in der deutschen Offenlegungsschrift 1533 607 angegebenen Formeln berechnet werden.Some of the manufacturing information about the device is determined by the vibration values rather than by Indication of the physical dimensions of the various channels and cavities given. the physical dimensions of the channels and volume of the vibrating elements can be calculated using the formulas given in German Offenlegungsschrift 1533 607 will.

Der elastische Schwingungserreger 19 empfängt alle Bohrflüssigkeit, die von der Spülpumpe (nicht gezeigt) gepumpt wird, und muß deshalb etwas größer als der ähnliche in obengenannter Patentanmeldung beschriebene Oszillator sein. Alle Oszillatorabmessungen in besagter Patentanmeldung sind die gleichen, mit Ausnahme der Tiefe der Kanäle, weiche proportional zu der gewünschten Zunahme der Flußgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit in diesem Oszillator im Vergleich zu dem Gerät besagter Offenlegungsschrift zu vergrößern ist. Die kombinierte Inertanz des Oszillatordiffusorkanais 47 und des Schenkels 25 können 7200 kg-sec^/m⁵ sein und der Federwiderstand des inneren akustischen Hohlraumes 5,82 X 10"ⁿm⁵/kg. Die kombinierte Inertanz des Diffusorkanais 49 und des Schenkels 27 können 36200 kg.secVm⁵ und der Federwiderstand des äußeren sonaren Hohlraums 7,8 X 10~^um⁵/kg sein. Der Federwiderstand des Direktstromflußblockes 61 gegen Longitudinalschwingungen in dem äußeren Hohlraum kann 33,5 X 10~^llm⁵/kg sein. Die Kanäle 59 sollen mit einem größtmöglichen Durchmesser und so zahlreich wie möglich hergestellt werden, in Übereinstimmung mit der durch die Bauweise bedingten Festigkeit des Gehäuses D, und so kurz wie möglich sein, damit die Induktanz dieser Durchgänge vernachlässigbar ist. Die Durchschnittsimpedanz der Düsen der Bohrkrone können 38 X 10⁶ kg.sec²/m⁵ sein. Der äußere und innere Hohlraum sollen vorzugsweise V₈ Wellenlänge oder weniger in axialer Länge betragen. Es ist nicht wesentlich, z. B. daß alle Bohrflüssigkeit durch den Flüssigkeitsoszillator fließt. Die große Anzahl Materialien, die erfolgreich angewendet werden können, und die geometrische Form des Flüssigkeitsoszillators und der Kopplungsgeräte sind mannigfaltig. Ebenso die Frequenz und Amplitude der Druckänderungen. Jedoch sind praktische Einschränkungen dadurch vorhanden, daß die Stärke der Schwingungen insbesondere durch die Frequenz bestimmt ist. Geeignete Frequenzen und Amplituden im Bereiche der Druckänderungen können aus der oben zitierten deutschen Offenlegungsschrift entnommen werden.The resilient vibration exciter 19 receives all of the drilling fluid pumped by the mud pump (not shown) and must therefore be somewhat larger than the similar oscillator described in the aforementioned patent application. All oscillator dimensions in said patent application are the same, with the exception of the depth of the channels, which is to be increased in proportion to the desired increase in the flow rate of the drilling fluid in this oscillator compared to the device of said published patent application. The combined inertance of the oscillator diffuser channel 47 and the leg 25 can be 7200 kg-sec ^ / m ⁵ and the spring resistance of the inner acoustic cavity 5.82 X 10 " ⁿ m ⁵ / kg. The combined inertance of the diffuser channel 49 and the leg 27 can be 36200 kg.secVm ⁵ and the spring resistance of the outer cavity sonic 7.8 X 10 ~ ^u m ⁵ / his kg. the resistance of the spring 61 against Direktstromflußblockes longitudinal vibrations in the outer cavity may 33.5 X 10 ~ ⁵ m ^ll / his kg. The channels 59 should be made as large as possible in diameter and as numerous as possible, in accordance with the structural strength of the housing D, and as short as possible so that the inductance of these passages is negligible may be 38 X 10 ⁶ kg.sec ² / m ^5. The outer and inner cavities should preferably be V ₈ wavelength or less in axial length. B. that all drilling fluid flows through the fluid oscillator. The large number of materials that can be successfully employed and the geometrical shape of the liquid oscillator and coupling devices are manifold. Likewise the frequency and amplitude of the pressure changes. However, there are practical limitations in that the strength of the vibrations is determined in particular by the frequency. Suitable frequencies and amplitudes in the range of pressure changes can be found in the German patent application cited above.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 509 540/111 sheet of drawings 509 540/11

Claims

Patent claims:

1. Rock drilling method using periodic changes in pressure in a drilling fluid, in which a drill bit attached to the lower end of a drill string loads, from the surface of the earth, the drill string with the Drill bit set in rotation and the drilling fluid through the drill string to the bottom of the borehole and is circulated back to the earth's surface via the annulus, at least in which the Drill bit surrounding cavity of the borehole induced elastic vibrations in the drilling fluid are characterized in that at the same time in the one in the drill string Rinsing fluid located above the drill bit cavity elastic vibrations are induced, which opposes the vibrations in the one surrounding the drill bit Cavity are out of phase.

2. The method according to claim 1, characterized in that substantially the entire Flushing fluid passed from above into the deepest part of the borehole, there to the elastic vibrations is excited and divided into two phase-shifted substreams, one substream into the cavity above the drill bit in the drill string and the other partial flow into the the cavity surrounding the drill bit are guided, and the two cavities vibrate are isolated from each other.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the elastic Vibrations in the range between 30 Hz and 1000 Hz.

4. Device for generating and transmitting elastic, phase-shifted vibrations to a flushing fluid for a method according to claims 1 to 3, with one in a drill string usable housing, which in the upper part has an elastic vibration exciter with two Wears output legs, with a sonar coupler in the housing, which is in the area of a located above the drill bit in the drill string and one near the drill bit in the annulus between Drill string and borehole wall located sonar cavity is arranged, the elastic Vibrations in the two output legs of the elastic vibration exciter and are substantially out of phase in the two sonic cavities through a direct flow liquid block (61) in the sonic coupler (63) through which the direct flow the flushing fluid is blocked in the cavity surrounding the drill bit.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the frequency of the elastic Vibration exciter is in the range between 30 Hz and 1000 Hz.

6. Device according to claims 4 and 5, characterized in that the direct flow liquid block (61) has a number of resilient and impermeable members (63) which span an annular surface between the housing (D) and a cylindrical body (42) and to the Walls of the housing ( D) and body (42) are attached, one of the walls having filling openings for introducing a filling into the spaces formed by the members (63).

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that the two cavities with t Half wave delay line (81); are connected by which a Direkts Munging of rinsing liquid between the hollow men can be carried out, wherein the HohlriL are vibrationally isolated.