DE2301194B2 - Device for drilling earth formations - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bohren von Erdformationen mit einem mechanischen Bohrkopf, insbesondere Rollenbohrkopf, welcher zumindest eine Spüldüse für Spülfluid nebsi einem Zuleitungskanal umfaßt, und einem Schallschwingungserreger für das Spülfluid nebst einem in Strömungsrichtung nachgeordneten Hohlresonator.The invention relates to a device for drilling earth formations with a mechanical drill head, in particular roller boring head, which comprises at least one flushing nozzle for flushing fluid in addition to a feed channel, and a sound vibration exciter for the flushing fluid together with a hollow resonator arranged downstream in the direction of flow.
Zum Aufschließen von gesättigten Flüssigkeiten beziehungsweise Gasen in Untertagegesteinsschichten werden von den geringsten Tiefen abgesehen im allgemeinen Bohrbrunnen verwendetFor opening up saturated liquids or gases in underground rock layers are generally used for drilled wells except for the shallowest depths
Von den Bohrungen verhältnismäßig geringer Tiefe (10 bis 30 m) abgesehen sind sowohl in der Wasser- als auch in der Kohlenwasserstoffschürfung die auf mechanischer Wirkung beruhenden Bohrverfahren und -vorrichtungen verbreitet. In verhältnismäßig geringen Tiefen werden die Schlag- beziehungsweise Stoßbohrverfahren und -vorrichtungen angewandt, während in größeren Tiefen die Drehbohr- und Turbobohr- sowie Dickspülbohrverfahren und -vorrichtungen zur Anwendung gelangen.Apart from the holes of relatively shallow depth (10 to 30 m), both in the water and also in hydrocarbon prospecting, drilling methods based on mechanical action and devices widespread. Impact or impact drilling methods are used at relatively shallow depths and devices applied, while at greater depths the rotary drilling and turbo drilling as well Thick directional drilling methods and devices are used.
Grundlage der Gesteinsspaltung ist die Hervorrufung einer solchen Spannung im Gestein durch das Werkzeug, welche größer ist als die Festigkeit des Gesteins, so daß sich dadurch einzelne Gesteinsbrocken ablösen beziehungsweise abspalten. Es gibt Bohrverfahren und -vorrichtungen, welche auch durch die Hervorrufung verschiedener Erosionswirkungen das Ablösen der Gesteinsbrocken fördern. Bei den verschiedenen Bohrverfahren und -vorrichtungen wird die Gesteinsspaltung durch die Hervorrufung von Zug- und Gleit- beziehungsweise Schubspannungen im Gestein erreicht.The basis of the rock fission is the creation of such tension in the rock by the Tool, which is greater than the strength of the rock, so that individual rocks can be formed detach or split off. There are drilling methods and devices that are also supported by the Induction of various erosion effects promote the loosening of the rocks. With the various Drilling methods and devices, the rock fission is caused by the creation of tensile and sliding or shear stresses achieved in the rock.
Das Zutagefördern der abgelösten Gesteinsbrocken beziehungsweise -Stückchen (Bohrgut) sowie das Ausgleichen des Lagerstättendruckes und das Kühlen der Bohrlöcher wird mit einem passend gewählten Spülmedium durchgeführtThe excavation of the detached rocks or pieces (cuttings) as well as the leveling the reservoir pressure and the cooling of the boreholes is carried out with a suitably selected flushing medium carried out
Es ist auch ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei welchem beziehungsweise welcher das Spülmedium zwecks Reinigung der Bohrlochsohle mit großer Geschwindigkeit zur Stelle der Gesteinsspaltung gebracht wird (Jet-Bohrung), nicht jedoch die mechanische Übertragung der Schwingung über den Bohrkopf angestrebt wird, bekanntIt is also a method and a device in which or which the flushing medium brought to the site of the rock fissure at high speed for cleaning the bottom of the borehole is sought (jet drilling), but not the mechanical transmission of the vibration via the drill head becomes known
Es wurde auch schon versucht, zur Gesteinsspaltung Ultraschall mit dem Ziele anzuwenden, das Gestein mit Hilfe eines sondenartigen Werkzeuges ausschließlich durch die mechanische Wirkung des Ultraschalles zu spaltea Dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung erfordern jedoch eine außerordentliche Ultraschallenergie, und daräber hinaus beeinflussen die vom Gestein sich abspaltenden größeren Brocken die Wirksamkeit des Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung nachteilig. Gleichzeitig verbreiteten sich diese Versuche nicht im Betriebsmaßstab beziehungsweise technischen Maßstab.Attempts have also been made to use ultrasound to split rocks with the aim of removing the rock Using a probe-like tool exclusively through the mechanical action of the ultrasound spaltea However, this method and the corresponding device require extraordinary ultrasonic energy, and in addition, the larger chunks separating from the rock influence the effectiveness the method and the corresponding device disadvantageous. At the same time, these spread Do not attempt on an operational or technical scale.
De·· Energiebedarf der mechanischen Verfahren und Vorrichtungen ist sehr bedeutend, und überdies hängt die Vonriebsgeschwindigkeit der Bohrung in bedeutendem Maße von den Festigkeitseigensrhaften des Gesteins ab ind ist im allgemeinen beschränkt. Die an das Schürfen und Aufschließen von Kohlenwasserstoffen gestellten neueren Anforderungen haben unbedingt die Notwendigkeit des Vorsehens eines wirksameren und mit einer größeren Vonriebsgeschwindigkeit arbeitenden Bohrverfahrens mit einer entsprechenden Vorrichtung aufgeworfen.De ·· energy requirements of mechanical processes and Devices is very important and, moreover, the driving speed of the bore depends in a significant way The degree of strength properties of the rock is generally limited. The at that Prospecting and digesting hydrocarbons have made the newer requirements necessarily Need to provide a more efficient and operating at a higher speed of drive Drilling method raised with a corresponding device.
Es ist bereits auch eine Bohrvorrichtung zum Bohren von Erdformationen mit einem mechanischen Bohrkopf, welcher eine Spüldüse für Spülfluid nebst einem Zuleitungskanal umfaßt, und einem Schallschwingungserreger für das Spülfluid. nebst einem in Strömungsrichtung nachgeordneten Hohlresonator nach der USA.-Patentschrift 31 63 240, welche indessen nicht mit Ultraschall, sondern vielmehr im Hörbereich mit einer Frequenz von etwa 100 Hz arbeitet, bekannt. Die Erzeugung von Ultraschall ist wegen der Art des gewählten Schallschwingungserzeugers in Form eines rotierenden Drehschieberventils nicht möglich. Der verwendete Hohlresonator erfordert bei Abstimmung auf λ/4 einen hohen Platzbedarf und kann infolgedessen nur im Abstand vom Bohrkopf selbst angeordnet werden.It is also already a drilling device for drilling earth formations with a mechanical drill head, which comprises a flushing nozzle for flushing fluid together with a supply duct, and a sound vibration exciter for the flushing fluid. in addition to a downstream hollow resonator after the USA.-Patent 31 63 240, which, however, not with ultrasound, but rather in the auditory area with a Frequency of about 100 Hz works, known. The production Ultrasound is in the form of a rotating because of the type of sound vibrator chosen Rotary slide valve not possible. The hollow resonator used requires λ / 4 when tuned to requires a lot of space and can therefore only be arranged at a distance from the drill head itself.
Eine ähnliche bekannte Vorrichtung ergibt sich aus der USA.-Patentschrift 31 05 560. Es ist dort zur Erzeugung der Schallenergie ein Unterbrecherpropeller, der zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen nicht geeignet ist, vorgesehen. Vielmehr soll bei der bekannten Vorrichtung lediglich ein »Wasserhammereffekt« erzielt werden.A similar known device emerges from US Pat. No. 31 05 560. It is there for production the sound energy an interrupter propeller, which is not suitable for generating ultrasonic vibrations is provided. Rather, in the case of the known device, only a “water hammer effect” is to be achieved will.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer gegenüber dem Stand der Technik in bezug auf den Wirkungsgrad verbesserten Bohrvorrichtung, welche bei geringem Platzbedarf billig herstellbar ist. Erreicht wird dies dadurch, daß der Schwingungserreger aus einer im Zuleitungskanal für das Spülfluid im Bohrkopf angeordneten Flüssigkeitspfeife besteht und der Hohlresonator auf eine Ultraschallfrequenz abgestimmt ist.The object of the invention is to create a compared to the prior art with respect to the Efficiency-improved drilling device, which can be manufactured cheaply with little space requirement. Achieved this is because the vibration exciter from one in the supply channel for the flushing fluid in the drill head arranged liquid pipe and the hollow resonator is tuned to an ultrasonic frequency.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, daß der Schallschwingungserreger nebst Hohlresonator nahe beim Bohrkopf oder im Bohrkopf selbst in geringstem Abstand vor der Spüldüse angeordnet sein kann. Die Schwingungsdämpfung ist hierbei vernachlässigbar ge-Compared to the prior art, the device according to the invention has the advantage that the Sound vibration exciter and hollow resonator close to the drill head or in the drill head itself in the slightest Can be arranged distance in front of the flushing nozzle. The vibration damping is negligible.
ring, während sie bei entfernter Anordnung des Schallerzeugers, wie beim Stand der Technik, sehr groß werden kann. Der angestrebte günstige technische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich aus der Zusammenwirkung von Ultraschal! in Verbindung mit einem mechanischen Bohrkopf, wobei der Ultraschall über das SpQlfluid auf den mechanischen Bohrkopf selbst übertragen wird. Das Spülfluid kann hierbei mit einfachen verschleißarmen Bauelementen, nämlich einer ortsfesten Flüssigkekspfeife, zu einer Ultraschallschwingung angeregt werden, die einen sehr kleinen Hohlresonator erfordertring, while if the sound generator is located at a distance, as in the prior art, can become very large. The desired favorable technical efficiency the device according to the invention results from the interaction of ultrasound! in connection with a mechanical drill head, whereby the ultrasound via the SpQlfluid on the mechanical Drill head itself is transferred. The flushing fluid can be made with simple, low-wear components, namely a stationary liquid biscuit pipe to be excited to an ultrasonic oscillation, which is a very requires small hollow resonator
Durch die vorliegende Erfindung ist ein solches Bohren, bei welchem die Vortriebsgeschwindigkeit von den Festigkeitskenndaten des Gesteins in geringerem Maße abhängt und darüber hinaus nahezu das 2fache der Geschwindigkeit beim rein mechanischen Bohren ist, möglich.The present invention is such a drilling, in which the advance speed of the Strength characteristics of the rock depends to a lesser extent and moreover almost twice as much the speed with purely mechanical drilling is possible.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ändert durch das Aufzwingen der im Werkzeug und in der Umgebung erregten Schwingungen auf das Gestein dessen inneren Spannungszustand so, daß die auf die Wirkung der im spröden Gestein hervorgerufenen Schwingungen hin entstandenen Spannungen und die durch das Werkzeug herbeigeführten Spannungen zusammen die Zerreißfestigkeit beziehungsweise Bruchfestigkeit bedeutend übersteigen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesteinsspaltung besser, die Bohrdauer verringert und die Lebensdauer des Werkzeuges erhöht istThe device according to the invention changes by forcing the in the tool and in the environment excited vibrations on the rock whose internal state of tension is such that the effect of the im vibrations caused by brittle rock and the stresses caused by the tool The resulting stresses together mean the tensile strength or breaking strength exceed, making the rock breaking efficiency better, the drilling time reduced and the Tool life is increased
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die mechanische Geschwindigkeit der Bohrungen bei gleicher Lebensdauer des Werkzeuges zu verdoppeln ist. (Auf einen gleichen Ein- und Ausbauarbeitsgang trifft ein 2facher Vortrieb beziehungsweise Fortschritt). Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verlangt keine nennenswerten Änderungen in der bisherigen Verfahrenstechnik. Another advantage of the device according to the invention is that the mechanical speed of the bores is to be doubled with the same service life of the tool. (On an equal and expansion work step meets a double advance or progress). The use of the invention The device does not require any significant changes in the previous process technology.
Vorteilhafterweise ist der Hohlresonator nebst der Flüssigkeitspfeife unmittelbar im Bohrkopf angeordnet und mündet auslaßseitig unmittelbar in die Spüldüse.The hollow resonator and the liquid pipe are advantageously arranged directly in the drill head and flows directly into the flushing nozzle on the outlet side.
Vorzugsweise ist der Hohlresonator auf eine Ultraschallfrequenz entsprechend einer halben Frequenz der Flüssigkeitspfeife abgestimmtThe hollow resonator is preferably set to an ultrasonic frequency corresponding to half the frequency Matched liquid pipe
Es ist auch bevorzugt, daß die Ultraschallfrequenz eine Harmonische der Eigenfrequenz des Bohrkopfes ist.It is also preferred that the ultrasonic frequency be a harmonic of the natural frequency of the drill head is.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung im vertikalen Axialschnitt sowie in Teildarstellung undF i g. 1 an embodiment of a drilling device according to the invention in vertical axial section and in partial representation and
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A der F i g. 1 in bruchstückweiser vergrößerter Darstellung.F i g. 2 shows a section along the line AA in FIG. 1 in fragmentary enlarged view.
Die in F i g. 1 dargestellte Bohrvorrichtung dient zur Bearbeitung von Erdformationen und umfaßt einen mechanischen Rollenbohrkopf 2, welcher drei Spüldüsen 8 für Spülfluid, von denen iediglicn eine Spüldüse 8 veranschaulicht ist, und je einen zugeordneten Zuleitungskanal 3, von denen ebenfalls nur einer gezeigt ist aufweist Der Zuleitungskanal 3 ist mit einer gemeinsamen vertikalen Rohrleitung 1, welche in Vertikalrichtung abgesenkt und angehoben werden kann und zur Zuleitung des Spülfluids dient verbunden.The in F i g. 1 shown drilling device is used for machining earth formations and comprises a mechanical Roller boring head 2, which illustrates three flushing nozzles 8 for flushing fluid, of which iediglicn a flushing nozzle 8 is, and each has an associated supply channel 3, only one of which is also shown The supply channel 3 is with a common vertical pipe 1, which in the vertical direction can be lowered and raised and is used to supply the flushing fluid.
Innerhalb des Rollenbohrkopfes 2 ist in geringem Abstand in Strömungsrichtung vor jeder Spüldüse 8 ein auf Ultraschallfrequenz abgestimmter Hohlresonator 5 angeordnet dem eine Flüssigkeitspteife 4 vorgeordnet ist. Jeder Hohlresonator 5 sowie die zugeordnete Flüssigkeitspfeife 4 sind, wie es sich aus F i g. 1 deutlich ergibt unmittelbar im Bohrkopf 2 angeordnet und münden auslaßseitig unmittelbar in die Spüldüse 8.Inside the roller drilling head 2 there is a small distance in the direction of flow in front of each flushing nozzle 8 A hollow resonator 5 tuned to the ultrasonic frequency is arranged upstream of which a liquid pipe 4 is arranged is. Each hollow resonator 5 and the associated liquid pipe 4 are, as can be seen from FIG. 1 clearly results arranged directly in the drill head 2 and open directly into the flushing nozzle 8 on the outlet side.
Zweckmäßig ist der Hohlresonator 5 auf eine Ultraschallfrequenz entsprechend einer halben Frequenz der Flüssigkeitspfeife 4 abgestimmt Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Ultraschallfrequenz eine Harmonische der Eigenfrequenz des Bohrkopfes, um die Schallenergie in einem möglichst hohen Anteil auf die Erdformationen zu übertragen und somit den Wirkungsgrad der Gesteinsspaltung zu erhöhen.The hollow resonator 5 is expediently set to an ultrasonic frequency corresponding to half the frequency Liquid whistle 4 tuned In accordance with a preferred embodiment, the ultrasonic frequency is a Harmonics of the natural frequency of the drill head in order to increase the sound energy in as high a proportion as possible to transfer the earth formations and thus to increase the efficiency of the rock splitting.
Nachfolgend sind die genauen Parameter einer praktisch erprobten erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung angegeben. Es wird von einem Rollenbohrkopf von 216 mm ausgegangen, wobei der Durchmesser der Spüldüsen 8 14 mm beträgt Die Auslegung erfolgt auf einen Spülfluiddurchsatz von 1700 l/Minute, wobei für das Spülfluid eine Dichte von 132 g/cm3 und ein Strömungswiderstand von 25dyn/cm2 vorausgesetzt sind. Der Durchmesser der Hohlresonatoren 5 beträgt danach 22 mm und die Länge 30 mm. Es ergibt sich eine Ultraschallfrequenz von 27 kHz.The exact parameters of a practically tested drilling device according to the invention are given below. A roller drill head of 216 mm is assumed, the diameter of the flushing nozzles 8 being 14 mm.The design is based on a flushing fluid throughput of 1700 l / minute, with a density of 132 g / cm 3 and a flow resistance of 25 dyn / cm for the flushing fluid 2 are required. The diameter of the hollow resonators 5 is then 22 mm and the length 30 mm. The result is an ultrasonic frequency of 27 kHz.
Im Betrieb wurde ein Strömungsdruckverlust des Spülfluids von 25 bis 30atü gemessen, was bedeutet, daß eine Leistung von 50 bis 60 PS in Schwingungsenergie umgewandelt wird, die zur Zerkleinerung von Erdformationen ausgenützt werden kann.During operation, a flow pressure loss of the flushing fluid of 25 to 30atü was measured, which means that an output of 50 to 60 HP is converted into vibration energy, which is used to crush Earth formations can be exploited.
Wegen der starken Verschleißwirkung des Spülfluids sind die Flüssigkeitspfeife 4 und die Spüldüse 8 zweckmäßig aus einem sehr verschleißfesten Material, wie Hartmetall, hergestelltBecause of the strong wear and tear of the flushing fluid, the liquid pipe 4 and the flushing nozzle 8 are useful made of a very wear-resistant material such as hard metal
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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