DE2301194C3 - 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 nebst 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 drilling 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 verwendet.For 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 Erosionswirkun.gen 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, promoting 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 Zutagefördeni der abgelösten Gesteinsbrocken beziehungsweise -Stückchen (Bohrgut) sowie das Ausgleichen des Lagerstättendruckes und das Kühlen der Bohrlöcher wird mit einem passend gewählten Spülmedium durchgeführtThe outcrop of the detached boulders or pieces (cuttings) as well as equalizing the reservoir pressure and cooling the Drill holes are made with a suitably selected flushing medium
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, bekannt.It 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 spalten. Dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung erfordern jedoch eine außerordentliche Ultraschallenergie, und darüber 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 columns. 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.
Der Energiebedarf der mechanischen Verfahren und Vorrichtungen ist sehr bedeutend, und überdies hängt die Vortriebsgeschwindigkeit der Bohrung in bedeutendem Maße von den Festigkeitseigenschaften des Gesteins ab und 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 Vortriebsgeschwindigkeit arbeitenden Bohrverfahrens mit einer entsprechenden Vorrichtung aufgeworfen.The energy requirements of the mechanical processes and devices are very significant and, moreover, depend the rate of advance of the borehole depends to a large extent on the strength properties of the rock and is generally limited. Those involved in the prospecting and digesting of hydrocarbons The more recent demands made necessarily have the need to provide a more effective and drilling method operating at a higher rate of advance with an appropriate device raised.
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 hollow resonator downstream in the flow direction 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 generation of ultrasound is because of the nature of the chosen Sound vibration generator in the form of a rotating rotary slide valve is not possible. The one used Hollow resonator requires a lot of space when tuned to λ / 4 and can therefore only be used in Distance from the drill head itself can be arranged.
Eine ähnliche bekannte Vorrichtung ergibt sich aus eier 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 a United States patent 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.
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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 ergib? sich aus der Zusammenwirkung von Ultraschall in Verbindung mit einem mechanischen Bohrkopf, wobei der Ultraschall über das Spülfluid auf den mechanischen Bohrkopf selbst übertragen wird. Das Spülfluid kann hierbei mit einfachen verschleißarmen Bauelementen, nämlich einer ortsfesten Flüssigkeitspfeife, zu einer Ultraschallschwingung angeregt werden, die einen sehr kleinen Hohlresonator erfordert.ring, while they become very large if the sound generator is arranged remotely, as in the prior art can. The desired favorable technical efficiency of the device according to the invention result? results from the interaction of ultrasound in conjunction with a mechanical drill head, the Ultrasound is transmitted via the irrigation fluid to the mechanical drill head itself. The flushing fluid can here with simple, low-wear components, namely a stationary liquid whistle, to one Ultrasonic vibration are excited, which requires a very 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 ist.The 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 Ullraschallfrequenz entsprechend einer halben Frequenz der Flüssigkeitspfeife abgestimmt.The hollow resonator is preferably set to an ultrasonic frequency tuned according to half the frequency of the liquid whistle.
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 lediglich 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 I1 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 processing earth formations and comprises a mechanical roller boring head 2, which has three flushing nozzles 8 for flushing fluid, of which only one flushing nozzle 8 is illustrated, and an associated feed channel 3, only one of which is also shown. The supply channel 3 is connected to a common vertical pipeline I 1 which can be lowered and raised in the vertical direction 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 Flüssigkeitspfeife 4 vorgeordnet ist. Jeder Hohlresonator 5 sowie die zugeordnete FlLssigkeitspfeife 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 Arranged at the ultrasonic frequency tuned hollow resonator 5, upstream of which a liquid pipe 4 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 dit «informationen zu übertragen und somit den Wirkungsgrad der Gesteinsspaltung zu erhöhen.The hollow resonator 5 is expediently set to an ultrasonic frequency matched according to half the frequency of the liquid whistle 4. According to a preferred Execution, the ultrasonic frequency is a harmonic of the natural frequency of the drill head to transmit the sound energy in as high a proportion as possible to dit «information and thus to the Increase the efficiency of 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 1,32 g/cm3 und ein Strömungswiderstand von 25 dyn/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, a density of 1.32 g / cm 3 and a flow resistance of 25 dyn / cm 2 being assumed for the flushing fluid. 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 30 atü 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 30 atü 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, hergestellt.Because 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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