DE2311088A1 - Bohrstueck - Google Patents

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C, U.S.A.

Bohrstück

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrstück zum Bohren von Löchern in der Erde. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Bohrstück zum Bohren von Löchern, die einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisen, wobei eine Vielzahl von Walzenschneidern zu Schneidzwecken in einer im ganzen senkrecht zur Drehachse des Bohrstückes verlaufenden Ebene angeordnet sind.

In den letzten Jahren ist es interessant geworden, Löcher mit relativ großen Durchmessern bis hinauf zu 120 Zoll und mehr zu bohren. Bei einer Bauart eines Bohrstückes zum Bohren derartiger Löcher durch Rotationsbohrverfahren verwendet/eine Anzahl von Walzenschneidern, die auf einer Bohrstückplatte derart angeordnet sind, daß - ganz allgemein gesagt - jeder Schneider mit der Formation in eine Ebene in Eingriff kommt, die senkrecht zur Drehachse des BohrStückes verläuft. Bei Drehung des Bohrstückes bewirkt der Eingriff der Zähne der Walzenschneider mit der Formation am Boden des Loches eine Rotation der Walzenschneider. Aufeinanderfolgende Zähne der Walzenschneider kommen dabei mit der Formation in Eingriff, wenn die Walzenschneider umlaufen. Dabei ist vorgesehen, daß die durch die Wirkung der Schneider an der Formation entstehenden Schneidmaterialien vom Boden des Loches entfernt und zur Erdoberfläche transportiert werden.

Eine üblicherweise zur Entfernung von Schneidmaterialien verwendete Anordnung ist ein Aufnehmer; der Kehrbauart, der eine längliche sich in Radialrichtung erstreckende Aufnahmeöffnung in der Bohrstückplatte aufweist, die sich in Strömungsmittelverbindung mit einem der

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entweder zylindrischen oder ringförmigen Kanäle befindet, welche den Boden des Loches mit der Erdoberfläche verbinden. Diese Kanäle werden durch das Bohrseil gebildet, oder aber zwischen dem Bohrseil und den Wänden der Formation, oder aber schließlich zwischen zwei konzentrisch orientierten Bohrseilen, wenn Mehrfachseile benutzt werden. Ein umlaufendes Strömungsmittel (ein Gas oder eine Flüssigkeit) fließt über das Bor,nstück und nimmt die Schneidmaterialien mit, wenn es nach oben zur Oberfläche fließt. Die Energie zum Anheben des umlaufenden Strömungsmittels und der Schneidmaterialien aus dem Loch heraus und durch den Durchlaß hindurch zur Erdoberfläche wird durch verminderten Druck am oberen Ende des Durchlasses, durch Einführen von Hochdruckluft in den Durchlaß oder durch irgendwelche anderen Mittel erreicht. Die bei der Anordnung der Schneider an der Bohrstückplatte berücksichtigten Kriterien betrafen im allgemeinen die volle Abdeckung der Schneidoberflächen über die gesamte Lochfläche hinweg, wobei eine gewisse Redundanz vorhanden war.

Versuche mit den eben beschriebenen Bohrstücken zeigten, daß diese nicht vollständig zufriedenstellend arbeiten. Es stellte sich heraus, daß geringe Eindringgeschwindigkeiten nicht in Ausnahmefällen sondern in der Regel auftraten. Ferner ergaben sich Zusammenballungen am Bohrstück und am Boden, wobei auch ein erneutes Zermahlen der Schneidmaterialien vorkam. Kleine Verbesserungen wurden dadurch erreicht, daß man das umlaufende Strömungsmittel am Boden des Loches durch Strahlen einführte und die Strömungsgeschwindigkeit über den Lochboden hin erhöhte, wobei auch der Aufnehmer der Besenbauart durch einen Mittelaufnehmer ersetzt wurde. Es gibt jedoch praktische Grenzen bei der Strömungsgeschwindigkeit des umlaufenden Strömungsmittels; eine Analyse der verbrauchten Gesamtenergie abhängig von der Bohrereindringgeschwindigkeit zeigte, daß man einen sehr niedrigen Wirkungsgrad erreichte.

Die Erfindung bezweckt ein Bohrstück für ein großes Loch anzugeben, welches einen hohen Wirkungsgrad besitzt und erhöhte EiHdringgeschwxndigkeiten liefert.

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Um insbesondere dies zu erreichen, sieht die Erfindung bei einem Bohrstück mit einer Vielzahl einzelner Walzenschneider Mittel vor, die mindestens einem der Walzenschneider zugeordnet sind, um zu verhindern, daß die durch den Walzenschneider erzeugten Schneidmaterialien infolge von dessen Punpwirkung vor diesem abgelagert werden.

Das. erfindungsgemäße Bohrstück nutzt die zur Verfügung stehende Gesamtenergie beim Bohrvorgang mit hohem Wirkungsgrad aus und gestattet erheblich größere Eindringgeschwindigkeiten als bisher.

Das erfindungsgemäße Bohrstück benutzt dabei kurz gesagt die Tatsache, daß einzelne Walzenschneider tatsächlich als Pumpen arbeiten, wenn sie zusammen mit der Drehung des Bohrstückes rotieren. Diese Pumpwirkung eines einzelnen Walzenschneiders bewirkt, daß dessen eigene Schneidmaterialien fortlaufend an seiner Vorderseite abgelagert werden, was ein fortlaufendes erneutes Verschleißen der Schneidmateralien bedeutet. Dies ist nicht nur an sich unwirtschaftlich, sondern trägt auch zur Klumpenbildung am Bohrstück und Boden bei, wobei ferner die erwünschte Zirkulation der Schneidmaterialien zur Aufnahmeöffnung hin nicht zustandekommt. Demgemäß weist das erfindungsgemäße Bohrstück zusammen mit einem einzelnen Walzenschneider Mittel auf, die - wie erwähnt - verhindern, daß die von einem Schneider erzeugten Schneidmaterialien an dessen Vorderseite durch seine Pumpwirkung abgelagert werden. Allein ein Blockieren der Strömung des Schneidmaterials über die Oberseite der Schneider liefert ein Bohrstück, welches eine beträchtlich verbesserte Leistungsfähigkeit besitzt. Eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit wird dadurch erreicht, daß Ablenkanordnungen vorgesehen werden, welche die Pumpwirkung der einzelnen Schneider radial nach innen lenken, und zwar im allgemeinen zur Aufnahmeöffnung hin. Diese letztgenannte Anordnung gestattet die notwendige radial nach innen gerichtete Schneidmaterialströmung zur Aufnahmeöffnung hin mittels der erzwungenen Zirkulation einer wesentlich kleineren Strömungsgeschwindigkeit des umlaufenden Strömungsmittel*über den Boden des Loches hin.

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Eine weiterhin gesteigerte Ausnutzung der Pumpwirkung der einzelnen Walzenschneider wird dadurch erreicht, daß man die Walzenschneider in einer Anzahl von Reihen oder Serien anordnet, wobei jeder darauffolgende Schneider in den Serien radial nach innen liegen und umfangsmäßig nach vorne bezüglich der Drehrichtung des Bohrstückes angeordnet ist, wobei die Ablenkmittel für jeden Schneider - mit Ausnahme der radial am weitesten innen liegenden Serie - derart ausgebildet sind, daß die Schneidmaterialien unmittelbar hinter dem darauffolgenden Schneider abgelagert werden, d.h. an der Ansaugseite dieser Walzenschneiderpumpe. Die Ablenkmittel der radial am weitesten innen liegenden Schneider geben zur zentralen Aufnahmeöffnung hin ab. Serien von Walzenschneidern, die Schneider verwenden, welche Ablenkvorrichtungen haben, die nur die Strömung der Schneidmaterialien über den Schneider blockieren, zusätzlich zu Schneidern mit Ablenkvorrichtungen, welche radial nach innen hin abgeben, haben sich unter bestimmten Anwendungsfällen als sehr wirksam erwiesen.

Ein umlaufendes Bohrstück mit 96 Zoll Durchmesser und mit Ablenkvorrichtungen zur Steuerung der Pumpwirkung der Walzenschneider gemäß den obigen Ausführungen erreicht Eindringgeschwindigkeiten, die einige Male größer sind als bei einem Bohrstück, wo eine solche Steuerung nicht vorgesehen ist. Die durch ein Bohrstück mit Ablenkvorrichtungen erzeugten Schneidmaterialien enthielten einen wesentlich kleineren Anteil an feinen Teilchen, was ein geringeres Wiederzermahlen des Schneidmaterials andeutet; wenn das Bohrstück aus dem Loch herausgezogen wurde, so ergab sich, daß keine Kugelbildung (Klumpenbildung) am Boden oder am Bohrstück aufgetreten war.

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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sjch aus der Beschreibung von Ausführungi-beispie.1 cn anhand eier Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine perspektivische, teilweise Vvecrgebrochene Ansicht eines erfindurrgsgerr.äßen Bohrkopfes; Figur 2 eine Dx'auf sieht auf die Unterseite des Bohrkopfes der Figur 1; Figur 3 eine Teildraufsieht auf ein anderes erfindungsgemäßes Aueiiihrungsbeispiel eines Bohrkopfes; Figur A eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines VZalzenschneiders des Bohrstückes der Figur 3.

In den Figuren 1 und 2 ist ein einen großen Durchmesser aufweisender Bohrkopf 10 gezeigt, der einen Bohrkopfkörper oder einen Träger 12 mit einer Bohrkopfplatte 14 und einer Vielzahl darauf angeordneter Walzenschneider aufweist. Die Walzenschneider weisen Dimensionsschneider 16,18 und 20, Innenschneider 22, 24, 26, 28, 30 und 32 . sowie einen Mittelkonusschneider 34 auf. Die Schneider sind in üblicher Weise drehbar um ihre Längsachsen gelagert und zwar im Falle der Dimensions- und Innenschneider auf Bügeln, wie beispielsweise bei 36 und 38 und im Falle des Mittelschneiders 34 auf einem Auslegerlager Ferner sind an der Oberseite des Bohrkopfkörpers 12 nicht gezeigte übliche Mittel zur Verbindung des Bohrkopfes mit einem Bohrseil vorgesehen, durch welches das Bohrstück in das Loch abgesenkt und zur Drehung gebracht wird.

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Gemäß der Erfindung sind Ablenkanordnungen 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62 vorgesehen, wobei jedem der Dimensionsund Innenschneider eine zugeordnet ist. Jede Ablenkanordnung ist in Umfangrichtung vorne, dh. bezüglich der Drehrichtung des Bohrkopfes, gegenüber dem zugehörigen Walzenschneider angeordnet. Wie man am besten in Figur 1 für die typische Ablenkanordnung 68 erkennt, weist jede Ablenkanordnung eine Endwand 64, eine Seitenwand 66 und eine Bodenablenkplatte 68 auf. Die Seitenwand 66 ist aus einem Winkel gebildet, um die Befestigung der Ablenkplatte 68 durch geeignete Mittel - wie beispielsweise Bolzen 70 - an dem sich horizontal erstreckenden Schenkel, zu gestatten. Die Höhe der Seitenwand 66 steigt mit dem Abstand gegenüber der Mitte an, um der Ablenkplatte eine Abwärtsneigung zu geben. Eine Verstrebung 72 erhöht die Starrheit der Ablenkanordnung.

Die Ablenkplatte 68 besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material, wie beispielsweise Gummi. Ihre Breite ist derart gewählt, daß zwischen der vorderen Kante 71 und den Zähnen des Schneiders tatsächlich ein negativer Zwischenraum existiert. Demgemäß schlagen aufeinander folgende Zahnreihen bei Drehung des Schneiders gegen die Ablenkplatte 6 8 und drücken den vorderen Teil nach unten, bis Kante 71 an der Zahnreihe vorbeischlüpft und nach oben in seine normale ebene Stellung springt. Auf diese Weise wird der Platte eine Vibrations- oder Schüttelwirkung aufgeprägt, welche die Strömung des Schneidmaterials aus der Ablenkanordnung heraus erleichtert. Da der Durchmesser des Schneiders abnimmt, wenn die Zähne des Schneiders sich infolge der Benutzung abnutzen, kann die Ablenkplatte breiter gemacht werden, als dies anfangs notwendig ist, so daß der gewünschte negative Zwischenraum oder mindestens ein O-Zwischenraum während einer längeren Benutzungsperiode des Bohrkopfes aufrechterhalten bleibt.

Wie man am besten in Figur 1 in Verbindung mit der Ablenkanordnung 48 erkennt, sind die Ablenkanordnungen auf ihrer

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radial innen liegenden Seite offen. Wenn sich demgemäß Walze 18 im Uhrzeigersinn (vgl. Figur 1) durch Eingriff ihrer Zähne mit der Formation am Boden des Loches dreht und Bohrkopf 10 entgegen dem Uhrzeigersinn (vgl. Figur 2) umläuft, wird Schneidmaterial und zirkulierendes Strömungsmittel durch die Drehung des Schneiders 18 durch den Raum 74 zwischen der Oberseite des Schneiders und dem Horizontalteil 76 des Bügels 36 gepumpt. Die Pumpwirkung wird durch Ablenkanordnung 48 durch deren offenes Ende 80 radial nach innen ganz allgemein zur Aufnahmeöffnung 82 in der Mitte von Platte 14 hingelenkt. Nicht gezeigte Mittel bringen die Aufnahmeöffnung 82 in eine Strömungsmittel-Flußverbindung mit der Erdoberfläche, und zwar durch einen der durch das Bohrungsseil gebildeten Kanäle oder zwischen dem Bohrseil und der Formation oder zwischen Mehrfachbohrseilen, wenn solche verwendet werden; dies geschieht auf irgendeine der üblichen Arten.

Wie man am besten durch Betrachtung der Figur 2 erkennt, bringt der Auslaß durch das offene radial nach innen weisende Ende 84 der Ablenkanordnung 48 das durch Schneider 18 erzeugte Schneidmaterial zum hinteren Ende von Schneider 28. Da dies die Ansaugseite der durch die Drehung des Schneiders 28 erzeugten Pumpwirkung ist, wird das durch Schneider 18 und auch, das durch Schneider 28 selbst erzeugte Schneidmaterial über die Oberseite des Schneiders 28 gepumpt und aus dem offenen radial nach innen weisenden Ende 86 der Ablenkanordnung 58 ausgestoßen. Diese Schneidmaterialien werden ihrerseits über die Oberseite des Schneiders 26 gepumpt und durch das offene Ende 88 der Ablenkanordnung 56 zur Aufnahmeöffnung 82 hin ausgestoßen. Man erkennt, daß die radial nach innen gerichtete Bewegung der Schneid- oder Bohrmaterialien durch die Anordnung der Walzenschneider 18, 28 und 26 in einer Reihe erleichtert wird und zwar mit einer derartigen relativen Anordnung, daß die Schneidmaterialien von jedem radial auswärts liegenden Schneider auf ihrem Weg zur Mittel-Aufnahmestelle durch die Pumpwirkung des nächstfolgenden radial nach innen gelegenen Schneiders unterstützt v/erden. Es sei bemerkt, daß bei dem

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in den Figuren 1 und 2 dargestellten Bohrkopf die 3 Dimensions- und die 6 Innenschneider in 3 derartigen Schneidereihen angeordnet sind. Die 6 Innenschneider sind auf 3 Radien in einer solchen Weise angeordnet, daß über den Boden des Loches hinweg eine Redundanz von Schneidflächen erzeugt wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind 3 Strömungsdüsen 92, 94 und 96 für einen Strömungsaustritt unmittelbar hinter den 3 Dimensionsschneidern angeordnet. Ferner sind 3 Austrittsdüsen 98, 100 und 102 allgemein in dem Gebiet angeordnet, wo der Austritt von den Auslassen der innersten Ablenkanordnungen 52, 56 und 60 stattfindet. Die spezielle Anordnung arbeitet zufriedenstellend zusammen mit einer Zweiseilanordnung mit einer Lufttransportanordnung im inneren Seil, um die Energie für den Transport des Schneidmaterials zur Erdoberfläche vorzusehen. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung solcher Düsen angewiesen ist. Jede Anordnung, die Bewegung eines umlaufenden Strömungsmittels am Kopf zur Aufnahmeöffnung hin erzeugt, sollte zufriedenstellend sein. Allgemein gesagt, wird die Verwendung der normalen Pumpwirkung der Walzenschneider zur Unterstützung beim Transport des Schneidmaterials zur Aufnahmeöffnung hin durch die Verwendung von Ablenkanordnungen - wie beispeilsweise die eben in Zusammenhang mit Figur 1 und 2 diskutierten - bevorzugt; es können aber auch Vorteile dadurch erreicht werden, daß die Ablenkanordnungen einfach die Pumpwirkung des Schneiders blockieren. Dies wird nach Betrachtung der Figuren 3 und 4 noch klarer werden; die Figuren 3 und 4 veranschaulichen wie ein Bohrkopf für ein großes Loch zur Erreichung der erfindungsgemäßen Vorteile abgewandelt werden kann. Wie man in Figur 3 erkennt, ist jedem der Dimensionsschneider 112, 114, 116 und 118 und jedem der Innenschneider 120, 122 und 126 eine Ablenkanordnung der Bauart zugeordnet, wie sie gerade in Verbindung mit Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Wie man aus der Figur 3 erkennt, erlauben die vorhandenen Stellungen der Schneider 12ß und 130 nicht die Verwendung der obenbeschriebenen Ablenkanordnungen. Jedoch kann die "Blockier"-

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Ablenkanordnung der Figur 4 zusammen mit den Schneidern 128 und 130 verwendet werden.

Wie in Figur 4 gezeigt, ist Ablenkplatte 132 in dem Raum zwischen der Oberseite der Rolle 130 und dem Horizontalteil 134 des Bügels 136 angeordnet. Die Ablenkplatte 132 blockiert den Fluß des Strömungsmittels und des Schneidmaterials über die Oberseite des Walzenschneiders 130, wodurch verhindert wird, daß die Schneidmaterialien des Schneiders 130 vor diesem für eine erneute Zermahlung abgelagert werden. Die Pumpwirkung des Schneiders 130 bewirkt, daß die Schneidmaterialien auf die Ablenkplatte 32 auftreffen, was hinter dem Schneider 130 eine Turbulenz erzeugt, die beim in Suspension halten der Schneidmaterialien unterstützend wirkt. Die normale Bewegung des zirkulierenden Strömungsmittels zur Aufnahmeöffnung 138 hin wird die suspendierten Schneidmaterialien in diese Richtung führen.

Die ⁿBlockier"-Ablenkanordnung der Figur 4 kann auch mit Vorteil zusammen mit Schneider 124 verwendet werden, obwohl dort ausreichend Platz vorhanden ist, um die andere Art der Ablenkanordnung zu verwenden.Der Rückfluß des abgetragenen Schneidmaterials einer dem Schneider 124 zugeordneten Ablenkanordnung der Blockier-Bauart würde dieses näher an die Mitte der Aufnahme heranführen, als die in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 diskutierte "gerichtete" Ablenkanordnung. Die Verwendung einer "Blockier"-Ablenkanordnung zusammen mit Schneider 128 würde auch einige Vorteile liefern, obwohl ein Teil des Schneidmaterials des Schneiders 128 vor dem Schneider 130 abgelagert und durch diesen widerzermahlen wird. Dies ist jedoch gegenüber dem Fall vorzuziehen, wo der Schneider 128 sein eigenes Schneidmaterial widerzermahlt, da diese Bewegung zur Mittelaufnahme hin eingeleitet wird. In diesem Zusammenhang erkennt man, daß die erfindungsgemäßen Vorteile auch dann erreicht werden, wenn nur Ablenkvorrichtungen der Blockier-Bauart verwendet werden.

Es können viele verschiedene Gestaltungen in zufriedenstellender Weise zur Blockierung der Schneidmaterialströmung

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über die Walzenschneider hinweg verwendet v/erden. Eine Alternative zu der Vorrichtung gemäß Fig. 4 schließt die Verwendung einer Abdeckung ein, welche den oberen Teil des Schneiders vollständig umschließt. Innerhalb der Abdeckung kann ein hoher Luftdruck aufrechterhalten werden, um eine Luftschleuse zu bilden, um so die Strömung von zirkulierender Flüssigkeit und Schneidmaterialien über die Oberseite des Schneiders hinweg zu blockieren.

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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE

1. Bohrstück mit einer Vielzahl von Walzenschneidern, die in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Bohrstückes für Schneidzwecke angeordnet sind, gekennzeichnet durch Mittel 46, 48 usw., die zusammen mit mindestens einer der Schneidwalzen angeordnet sind, um zu verhindern, daß die durch den Schneider erzeugten Schneidmaterialien vor diesem durch dessen Pumpwirkung angeordnet werden.

2. Bohrer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Mittel den Schneidmaterialfluß radial nach innen lenken.

3. Bohrer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Mittel den Schneidmaterialfluß über die Oberseite des Schneiders hinweg blockieren.

4. Bohrer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Mittel Ablenkanordnungen sind, welche in Verbindung mit einer Vielzahl einzelner Walzenschneider angeordnet sind.

5. Bohrer nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch eine Reihe von Schneidern, wobei jeder aufeinanderfolgende Schneider radial nach innen und umfangsmäßig nach vorne bezüglich der Drehrichtung des Bohrstückes angeordnet ist, wobei die zugehörigen Ablenkmittel von mindestens einer Walze aus dieser Reihe das Schneidmaterial in die Zone unmittelbar hinter einer darauffolgenden Walze der Reihe abgibt.

6. Bohrer nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß jede vorausgehende dieser Serie zugehörige Ablenkmittel aufweist, welche das Schneidmaterial in eine Zone unmittelbar hinter ihrer nächstfolgenden Walze der Serie abgeben.

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7. Bohrer nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Walzenschneider mit Ausnahme eines Mittelschneiders in einer Vielzahl der Serien angeordnet sind und die Ablenkvorrichtungen der am weitesten innen liegenden Schneider jeder Serie zu Aufnahmemitteln hin abgeben, welche mit Mitteln verbunden sind, welche die Schneidmaterialien aus der Öffnung wegtransportieren.

8. Bohrer nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmemittel in der Mitte des Bohrstückes angeordnet sind.

9. Bohrer nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Schneider der Serie zugehörige Ablenkmittel aufweist, die den Strömungsmittelfluß über die Oberseite des Schneiders hinweg blockieren.

10. Bohrer nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Walzenschneider mit Ausnahme eines Mittelschneiders in einer Vielzahl der erwähnten Serien angeordnet sind.

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