DE2127661B2 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug für Bohrungen mit Flüssigkeitsumlauf, das an einen Bohrstrang anschließbar ist und einen Bohrkopf mit mindestens einer Stirnfläche zum Abtragen der Bohrlochsohle und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit, mindestens einen Kanal für die Aufwärtsführung des Bohrkleins, welcher die Stirnfläche mit einer die Unterdruckzone bildenden Ringkammer verbindet, und mindestens einen Kanal zum Abführen der Bohrflüssigkeit aufweist, welcher die Ringkammer mit dem Ringraum zwischen Bohrlochwand und und Bohrstrang verbindet und oberhalb des Bohrkopfes mit wenigstens einer Öffnung in d2n Ringraum mündet, wobei Längskanäle und/oder Radialkanäle am Umfang bzw. in der Stirnfläche des Bohrkopfes vorgesehen sind, durch welche ein begrenzter Teil der Bohrflüssigkeit entlang der Bohrwandung zur Bohrlochsohle hin bzw. entlang der Bohrlochsohle geführt ist, und die Einrichtungen zum Erzeugen des Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit aus einem in eine Venturi-Düse mündenden Ejektors bestehen, nach Hauptpatent P 16 08 268.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gesteinsbohrwerkzeug der genannten Gattung zu schaffen, das eine gesteigerte Leistung aufweist, indem die Druckverluste der Bohrflüssigkeit beim Auslauf in den Kanalsystemen herabgesetzt werden sollen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß der Ejektor und die Venturi-Düse nahe der unteren Stirnfläche des Bohrkopfes und von dieser wegweisend gerichtet angeordnet sind, wobei sich die Venturi-Düse oberhalb des Ejektors befindet.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Druckverluste der Bohrflüssigkeit beim Auslauf in den Kanalsystemen, die zum Aufzug des Bohrschutts dienen, erheblich vermindert sind, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gesteigerte Leistung aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 offenbart.

Die Erfindung wird durch Konstruktionsbeispiele erläutert, die in den Abbildungen illustriert werden; hierbei zeigt:

F i g. 1 einen axialen Querschnitt einer ersten Konstruktionsart;

F i g. 1 a eine Draufsicht der Konstruktion nach F i g. 1, mit Querschnitt längs der Linie A-A;

Fig. Ib eine Teilansicht aus der perspektivischen Sicht für die Ablenkvorrichtung;

F i g. 2 eine Teilansicht zur Darstellung einer Variante der Vorrichtung nach Fig. 1;

F i g. 3 eine Sonderkonstruktion der Vorrichtung, wobei es möglich ist, von einer zentripetalen Strömung der Bohrflüssigkeit zu einer konventionellen zentrifugalen Richtung zu wechseln.

Bei dem gezeigten Konstruktionsbeispiel umfaßt die Vorrichtung ein Bohrwerkzeug 1 mit massivem Kopf, wobei das Bohrwerkzeug im Oberteil durch die Kopfverbindung id mit einem Drehstück la verbunden

ist, das durch eine von der Oberfläche aus in Drehung versetzte Bohrsäule oder durch eine von einem Bodenmotor angetriebene Welle (Turbinen- oder Elektromotor) dargestellt werden kann.

Die Bohrflüssigkeit läuft von der Oberfläche her um S und folgt der durch die Pfeile bezeichneten Richtung zur Benetzung des Bohrwerkzeugs und der Bohrfront

Diese Flüssigkeit versorgt über die Kanäle 16 die Ringnut 36 und den Kanal 3c; wobei ein Ejektor 3 in Zusammenwirken mit einer Venturidüse 4, die in dessen Verlängerung montiert ist, einen Unterdruck erzeugt, der in der Kammer 5 im Innern des Werkzeugträgers herrscht; letztere ist unmittelbar mit den Kanälen 10 an der Angriffsfläche des Werkzeugs verbunden. Der Ejektor 3 wird von einem Support 3a gestützt

Der in der Kammer 5 hervorgerufene Unterdruck aufgrund des Ablaufs der Bohrflüssigkeit bewirkt die Ansaugung des Bohrschutts aus dem Bereich der Bohrfront durch die Kanäle 10 für die Schuttabsaugung (in Fig. 1 ist nur einer dieser Kanäb sichtbar). Diese Kanäle 10 stellen durch eine oder mehrere Mündungen die Verbindung zwischen der Kammer 5 und der Bohrfront her.

Der Ablauf des Bohrschlamms- und Schutts wird durch die Doppelpfeile in F i g. 1 gekennzeichnet

Wenn man bei dieser Erfindung die Unterdruckkammer 5 nahe an die Bohrfront des Werkzeugkopfes setzt, so verkürzt man die Kanäle 10, welche diese Kammemit der Bohrfront verbinden und verstärkt damit die Ansaugung des Bohrschlamms und verbessert somit den Wirkungsgrad des Bohrwerkzeugs.

Im übrigen ist der Ejektor 3 nach der Erfindung so angeordnet, daß der Strom der Bohrflüssigkeit von unten nach oben verläuft (frische Bohrflüssigkeit), dadurch ist der Flüssigkeitsstrom in der Lage, die aus der Bohrfront durch die Kanäle 10 aufsteigenden Schlamm- und Schuttmassen mitzureißen, ohne daß es auf der Höhe des Ejektors zu einer Umkehr der Flußrichtung dieser Massen kommt, umgekehrt wie bei dem Vorgang in der Unterdruckkammer 5 bei den Konstruktionsfällen, wie sie in der Hauptanmeldung für die Erfindung gezeigt worden sind.

Dadurch wird die Abfuhr des Bohrschlamms und -Schutts aus der Bohrfront erleichtert. Der Flüssigkeitsstrom, der Schlamm und Schutt mit sich führt und durch die Venturidüse 4 hindurchgeht, wird in zwei Teile geteilt. Der erste Teil wird durch die Kanäle 6 abgeführt, die durch die Öffnungen 6a in den ringförmigen Raum 7 ausmünden, welche letzterer zwischen dem Werkzeugträger und der Bohrlochwand gebildet wird, unterhalb eines ringförmigen Bunds Ic in der Verbindung id; in einem Teil von idmh verengtem Querschnitt.

Der andere Teil des Flüssigkeitsstroms fließt durch die öffnungen 6b ab, die sich unterhalb des Bundes Ic befinden. Das Verhältnis der Flüssigkeitsmengen, die jeweils durch die öffnungen 6a und 66 ablaufen, sowie die Teilung in den aufsteigenden und den absteigenden Strömungsteil, der aus der öffnung 6b austritt, kann durch Veränderung des Querschnittsverhältnisses der öffnungen 6a und 6b geregelt werden, ebenso durch Veränderung der Querschnitte der ringförmigen Durchgänge für die Bohrflüssigkeit ober- und unterhalb des Bundes Ic oder durch Veränderung der Höhe der Seitenfläche des Werkzeugkopfes in Berührung mit der Bohrlochwandung bzw. der Breite der Vorderfläche des Werkzeugs in Berührung mit der Bohrfront, schließlich auch durch die Wahl der Anzahl und des Querschnitts der Kanäle, die in diese beiden Flächen eingelassen werden können, um den Ablauf der Bohrflüssigkeit flach den Schlammabfuhrkanälen 10 zu ermöglichen; zusammengefaßt: durch Veränderung dieser verschiedenen Konstruktionselemente, welche die Stärke des Bohrflüssigkeitsstroms zwischen der Öffnung 6b für den Auslauf der Bohrflüssigkeit und der Angriffsfläche am Boden mit Anpressung des Werkzeugkopfs 2 begrenzen.

Ein Bruchteil der austretenden Flüssigkeit, die aus den öffnungen 66 entweicht, wird durch diese Anordnung demnach wieder der Bohrfront zugeführt und fällt entlang den Bohrlochwänden in der durch Pfeile angezeigten Richtung ab; während der durch die öffnungen 6a austretende Teil des Ablaufstroms, in einer verbreiterten Zone des ringförmigen Raums um das Werkzeug, vollständig zur Erdoberfläche zurückgebracht wird.

Gemäß einer besonderen Eigenschaft der Erfindung wird das Bohrwerkzeug mit einer Vorrichtung versehen, durch welche der Anteil des Bohrschlamms in dem Teil des Flüssigkeitsablaufs durch die Öffnungen 6a mit Ableitung zur Erdoberfläche größer gehalten wird als der Teil dieses Ablaufs, der der Bohrfront durch die öffnungen 66 wieder zugeführt wird. Dies kann z. B., wie gezeigt, durch eine Zentrifugierkammer oder einen Zyklon 21 bewirkt werden, in welchem die Wirbelbewegung durch eine Vorrichtung hervorgerufen wird, wie etwa der Flügelring 20, der in Fig. Ib perspektivisch dargestellt ist.

Durch diese Wirbelbewegung wird der Schlamm- und Schuttgehalt der Bohrflüssigkeit nach den öffnungen 6a abgelenkt, durch welche diese Massen an die Erdoberfläche abgeführt werden, während der Teil des Flüssigkeitsstroms, der nahe an der Achse der Vorrichtung verläuft und weniger Verunreinigungen enthält, nach den Öffnungen 66 zur Bewässerung der Bohrfront abgeleitet wird.

Wie oben erläutert, werden die Ablaufmengen, die jeweils durch die Mündungen 6a und 66 gehen, durch die Wahl der Querschnitte und der Druckverluste geregelt, und zwar so, daß die Menge des Flüssigkeitsstroms, der durch den Zyklon 21 gereinigt wurde, größer ist als die vom Bohrwerkzeug durch die Bohrfront angesaugte Flüssigkeitsmenge, wodurch das Bohrwerkzeug gegen einen Rückstrom von Bohrschlamm und -schutt geschützt wird.

F i g. 2 zeigt einen Teilausschnitt einer Variante der oben beschriebenen Vorrichtung nach F i g. 1. Wie man aus der Figur ersieht, hat man zur Verstärkung der Zentrifugalwirkung, durch welche die Reinigung des zentralen Teils des Flüssigkeitsstroms bewirkt wird, der in der Venturidüse 4 zirkuliert, den Teil des Flüssigkeitsstroms, der den Ejektor 3 vei sorgt, in drehende Bewegung versetzt und gleichzeitig den Zufuhrkanal 3c exzentrisch angeordnet, so daB die Wirbelbewegung des Flüssigkeitsstroms zum Ejektor 3 die Anbringung des Flügelrings 20 unnötig macht.

Fig.3 zeigt eine Umkehrvonichtung für den Flüssigkeitsstrom aus der Bohrfront mittels einer Niederdruckkammer, die eine konventionelle Zentrifugalbewegung aus der Bohrfront wiederherstellt.

Die praktische Erfahrung hat gezeigt, daß in bestimmten Fällen die Wiederherstellung der konventionellen Berieselung der Bohrfront im Zentrifugalverfahren vorteilhaft sein kann, insbesondere wenn das Vorhandensein eines Unterdrucks auf den Untergrund nachteilige Wirkungen hat, wie etwa die Aktivierung flüssiger Emanationen, oder auch für den Fall, daß technische Pannen eintreten, wie etwa ein Verklemmen,

das eine größere Neubohrung erforderlich macht usw. Es ist dann von Vorteil, die Richtung des Flüssigkeitskreislaufs nach Belieben umkehren zu können, um die jeweils besten Bohrverhältnisse zu bekommen: also Niederdruckbohren oder konventionelles Bohren mit' s Zentrifugalströmung, ohne daß man jedesmal das Bohrwerkzeug auswechseln muß.

Die Umkehrvorrichtung wird in das Innere der Verbindung la des Werkzeugkopfs mit der Unterdruckvorrichtung eingebaut. In diese Verbindung ist auch die Zentrifugierkammer 21 montiert, welche axial vom Berieselungsstrom isoliert wird, der in die Bohrsäule durch den Verteilerkolben 23 eintritt; dieser Kolben hat einen zylindrischen Teil 24, der von einer Blindbohrung 25 gekreuzt wird, sowie einen Kolbenkopf 26 von größerem Durchmesser, in den ein Sitz 27 eingebaut ist, wobei der Kopf 26 in der Bohrung der Verbindung id läuft.

Die geneigten Kanäle 28 durchqueren den Kolbenkopf 26 des Verteilerkolbens 23 und stellen die Verbindung zwischen der Bohrung 25 und einer Nut 29 her, die in die Seitenfläche des Verteilerkolbenkopfes 26 eingelassen ist, wobei die Dichtungen 30 die Abdichtung des einen wie des anderen Teils der Nut 29 sichern.

Die Kanäle 31 durchqueren den Kopf 26 des Verteilerkolbens 23 zur Verbindung des Sitzes 27 mit dem ringförmigen Raum 32, der von der Verbindung id und der Außenfläche des Zylinderteils 24 des Verteilerkolbens gebildet wird, wobei die Kanäle ib in den unteren Teil des Ringraums 32 münden, wie in der Figur gezeigt ist.

Während der Bohrphase mit Zentripetalberieselung der Bohrfront (Unterdruckbohrung) wird der Verteilerkolben 23 in der Stellung gehalten, die auf dem rechten Teil der Fig.3 durch einen Spannring 33 fixiert ist, wodurch jede Aufwärtsbewegung des Verteilerkolbens verhindert wird; ferner durch die Stifte 34, welche eine feste Verbindung zwischen dem Zylinderteil 24 und einer Buchse 35 herstellen, die sich in der Bohrung des Verbindungsstücks id befindet, so daß der Verteilerkolben auch nicht nach unten verschoben werden kann.

Die Bohrflüssigkeit läuft sodann von der Bohrsäule zu den Kanälen ib über den durch die ausgezogenen Pfeile bezeichneten Weg auf der rechten Seite der Figur, d. h. über den Sitz 27, die Kanäle 31 und den Ringraum 32 ab. Der Vorgang ist sodann identisch mit dem vorher in F i g. 1 geschilderten Verlauf.

Erstrebt man einen Flüssigkeitsumlauf mit konventioneller Zentrifugalberieselung der Bohrfront, so baut man in die Bohrsäule eine Kugel 36 ein, die sich auf den konischen Sitz 27 legt und dadurch den Kreislauf der Bohrflüssigkeit unterbricht Der Druck der Bohrflüssigkeit übt sodann auf den Verteilerkolben 23 einen Axialschub aus, der nach unten gerichtet ist und zu einem Abscheren der Stifte 34 führt, so daß der Verteilerkolben in seiner Abwärtsbewegung in die Stellung gelangt, die auf der linken Seite der Figur gezeigt ist Die Bohrflüssigkeit läuft dann durch den mit unterbrochen gezeichneten Pfeilen angegebenen Weg, d. h. von der Bohrsäule bis zur Mitte des Bohrwerkzeugs, durch die Kanäle 3t, die Bohrung 25 des Venturirohrs 4 und durch die Kanäle 10, bevor sie in den Ringraum 7 aufsteigt, der zwischen der Wand des Bohrlochs und dem Bohrwerkzeug liegt

Man kann z. B. auch — soweit es die Abmessungen des Bohrwerkzeugs erfordern — dem Verteilerkolben 23 eins solche Form geben, daß dieser in der Bohrstellung für konventionelle Zentrifugalberieselung der Bohrfront die öffnungen der Kanäle ib sperrt die in das Verbindungsstück id einmünden.

Man kann ferner eine Auffangvorrichtung für die Kugel 36 einbauen und die Scherstifte durch eine elastische Vorrichtung ersetzen, etwa eine tarierte Feder, so daß man nacheinander von der Phase des Unterdruckbohrens zu der Phase der konventionellen Zentrifugalbohrung der Bohrfront und zurück gelangen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

f569

Claims (7)

Patentansprüche: 21 661

1. Gesteinsbohrwerkzeug für Bohrungen mit Flüssigkeitsumlauf, das an einen Bohrstrang anschließbar ist und einen Bohrkopf mit mindestens einer Stirnfläche zum Abtragen der Bohrlochsohle und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit, mindestens einen Kanal für die Aufwärtsführung des Bohrkleins, «o welcher die Stirnfläche mit einer die Unterdruckzone bildenden Ringkammer verbindet, und mindestens einen Kanal zum Abführen der Bohrflüssigkeit aufweist, welcher die Ringkammer mit dem Ringraum zwischen Bohrlochwand und Bohrstrang «5 verbindet und oberhalb des Bohrkopfes mit wenigstens einer Öffnung in den Ripgraum mündet, wobei Längskanäle und/oder Radialkanäle am Umfang brw. in der Stirnfläche des Bohrkopfes vorgesehen sind, durch welche ein begrenzter Teil der *> Bohrflüssigkeit entlang der Bohrwandung zur Bohrlochsohle hin bzw. entlang der Bohrlochsohle geführt ist, und die Einrichtungen zum Erzeugen des Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit aus einem in eine Venturi-Düse mündenden Ejektor bestehen, nach *5 Hauptpatent P 16 08 268, dadurch gekennzeichnet, daß der Ejektor (3) und die Venturi-Düse (4) nahe der unteren Stirnfläche des Bohrkopfes und von dieser wegweisend gerichtet angeordnet sind, wobei sich die Venturi-Düse (4) oberhalb des Ejektors (3) befindet.

2. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Venturi-Düse (4) eine Trennvorrichtung für den Flüssigkeitsstrom eingebaut ist, durch welche ein Teil der Flüssigkeit aus dem Werkzeugträger durch mindestens eine Öffnung (6a) ableitbar ist. die sich oberhalb eines Kopfes(läydes Werkzeugträgers befindet, wobei der andere Teil des Flüssigkeitsstroins aus dem Werkzeugträger durch wenigstens eine weitere Öffnung (6b) abführbar ist, die sich unterhalb der Öffnung (6a) befindet und mindestens ein Teil dieses Flüssigkeitsstroms zur Bohrfront zurückleitbar ist.

3. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Trennvorrichtung der Schlamm- und Schuttgehalt des durch die Öffnung (6b) abgeführten Flüssigkeitsstroms herabsetzbar ist, wobei der größte Teil des Bohrkleins zu der Öffnung (6a) hinleitbar ist.

4. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung mit Ablenkern versehen ist, durch welche die durch die Drehbewegung des Werkzeugs entstehende Zentrifugalkraft verstärkbar ist.

5. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verteilerkolben (23) zur axiialen Isolierung der Venturi Düse (4) gegen den BohrflüEsigkeitsstrom vorgesehen ist, welcher Kanäle (28) enthält, die in einer ersten Stellung des Kolbens (23) mit den Zuführkanälen (1 ty des Ejektors (3), sowie Kanäle (31) enthält, die in einer zweiten Stellung des Kolbens (23) direkt mit der Venturi-Düse (4) kommunizieren und deren Oberteil mit der Flüssigkeitszufuhr verbinden, wobei der Übergang von der ersten zu der zweiten Kolbenstellung durch eine Sperrvorrichtung in den Kanälen (28) steuerbar ist.

6. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung durch eine Kugel (36) gebildet ist, die in der Bohrsäule angeordnet ist

7. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung als Zentrifugierkammer{21) ausgebildet ist