DE2410236B2 - Drehbohrwerkzeug für Gesteinsformationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehbohrwerkzeug für Gesteinsformationen, in die Bohrlöcher in tiefer liegende Schichten niederzubringen sind, die zu erkunden sind oder aus denen wertvolle Stoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Erdgas oder Wasser zutage gefördert werden sollen.

Drehbohrwerkzeuge sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt, beispielsweise aus der FR-PS 66 118. DD-PS 30 157, US-PS 36 45 331 und 45 346, DE-PS 11 58 917 und US-PS 22 33 260 und 60 057. Alle diese Drehbohrwerkzeuge weisen Strahldüsen von kreisrundem Querschnitt und ferner mechanische Schneidelemente unterschiedlicher Ausbildungsform auf.

Die den mechanischen Schneidelementen und/oder der durch den Bohrer gebildeten Bohrlochsohle zugeführte Bohrflüssigkeit unterstützt die Schneidwirkung der mechanischen Schneidelemente, indem sie diese reinigt und das beim Bohren entstehende Bohrklein von der Bohrlochsohle wegträgt. Es wird mit der nach über Tage zurückströmenden Bohrflüssigkeit nach oben transportiert.

Es sind ferner Drehbohrwerkzeuge bekannt (DE-AS 19 884 und 12 26 962), die zum hydraulischen Abspülen der Bohrlochsohle mehrere Strahlschlitzdüsen aufweisen, die derart radial angeordnet sind, daß sie während des Bohrens den Bereich der Bohrlochsohle auf konzentrischen Kreisspuren vollständig überstreichen. Das Zusammenwirken der mechanischen Schneidelemente und der Flüssigkeitsstrahlen ist angestrebt. Ί Das bekannte Zusammenwirken ist jedoch nicht dazu geeignet, Gestein am Bohrlochgrund abzutragen, weil die Schlitze den Zweck zu erfüllen haben, durch maximale Austrittsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit eine Verringerung der Bohrgeschwindigkeit im mittleren Bereich, die auf geringere Tangentialgeschwindigkeiten zurückzuführen ist, auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Drehbohrwerkzeug hinsichtlich seiner Bohrleistung und Standzeit beim Bohren durch Gesteinsformationen unterschiedlicher Härte zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Drehbohrwerkzeug die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung der Strahldüsen vorgesehen.

Die Strahldüsen des erfindungsgemäßen Drehbohrwerkzeugs sind in der Lage, allein die Bohrlochsohle hydraulisch aufzubrechen, wenn Bohrflüssigkeit mit ausreichendem Druck den Strahldüsen zugeführt wird 2^r> und so scharfe Strahlen aus ihnen austreten können. Folglich hat das Bohrwerkzeug einen erstem Satz von mechanischen Schneidwerkzeugen und einen zweiten Satz ve η hydraulischen Schneidwerkzeugen, wobei jeder Schneidwerkzeugsatz in der Lage ist, ein Loch )o durch die Gesteinsformationen hindurchzubohren, durch welche das Drehbohrwerkzeug hindurchdringen kann. Die Anwendung von zwei Schneidwerkzeugsätzen erlaubt die Verwendung der mechanischen Schneidwerkzeuge vornehmlich in Gesteinsformationen erhebr > licher Härte, während sie mittels der Bohrflüssigkeit, die mit verhältnismäßig niedrigem Druck über die Strahldüsen zugeführt wird, gereinigt und gekühlt werden. Gelangt daß Bohrwerkzeug jedoch in weniger harte Gesteinsformationen, so kann der Bohrflüssigkeitsdruck •to erhöht und die Bohrung allein mittels der hydraulischen Schneidwerkzeuge, aus denen ausreichend scharfe Bohrflüssigkeitsstrahlen austreten, niedergebracht werden. Der Abstand zwischen den Düsenauslässen und der Bohrlochsohle wird dann dadurch auf einem konstanten Wert gehalten, daß man die mechanischen Schneidwerkzeuge mit der Bohrlochsohle bei geringer Axialbelastung des Bohrers gerade in Berührung beläßt. Besondere Verschleißprobleme weist diese Arbeitsweise im Gegensatz zur Verwendung von Bohrern mit Abstandszungen oder dergleichen nicht auf.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Drehbohrwerkzeugs erlaubt beim Bohren durch Gesteinsschichten unterschiedlicher Härte eine im Mittel erhöhte Bohrleistung, da die Bohrrate durch Gesteinsformationen nicht so hoher Härte größer ist, wenn lediglich hydraulisch gebohrt wird, als wenn auch in diesen Gesteinsschichten nur ein mechanisches Bohren erfolgt.

Ein rein hydraulisches Bohren ist mit den aus dem DE-AS 12 19 884 und 12 26 962 bekannten Schlitzdüsen-Drehbohrern nicht möglich und nicht beabsichtigt.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Drehbohrwerkzeuge sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 ein Drehbohrwerkzeug im Längsschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2,

F i g. 2 daß in F i g. 1 dargestellte Drehbohrwerkzeug in Stirnansicht mit Blickrichtung entsprechend dem Pfeil Hin Fig. 1,

F i g. 3 eine Stirnansicht einer abgewandelten Ausfüh- -•ungsform eines Drehbohrwerkzeugs.

F i g. 4 eine Stirnansicht einer weiteren angewandelten Ausführungsform eines Drehbohrwerkzeuges,

Fig.5 einen Längsschnitt durch ein als Rollmeißel ausgebildetes Drehbohrwerkzeug und

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in F i g. 5.

Das in F i g. 1 und 2 dargestellte Drehbohrwerkzeug, nachfolgend kurz Bohrwerkzeug genannt, hat einen Bohrwerkzeugkörper 1 und einen mit diesem verbünde- ι ο nen Schaft 2 mit einem Gewinde 3, mit dem sich das Bohrwerkzeug an das untere Ende einer Bohrstange bzw. eines Bohrgestänges oder einer Schwerstange anschließen läßt, sowie einen zentralen Kanal 4, der bei Anschluß des Bohrwerkzeuges an eine Schwerstange an seinem oberen Ende mit dem Innern des Bohrgestänges oder der Schwerstange und am unteren Ende mit einem Hohlraum 5 des Bohrwerkzeugkörpers 1 in Strömungsverbindung für Flüssigkeit steht Der Bohrwerkzeugkörper 1 ist als Sinterkörper ausgebildet Eine ringförmige Verlängerung 6 des Schaftes 2 ist durch Sintern mit dem Bohrwerkzeugkörper 1 während des Sintems oder danach beispielsweise durch Hartlöten mit einer ringförmigen Vertiefung 7 im Bohrwerkzeugkörper 1 verbunden.

Wie man am deutlichsten aus F i g. 2 entnimmt, ist die Stirnfläche des Bohrwerkzeugs mit zwei Grupper oder Sätzen von Schneidwerkzeugen versehen, von denen die erste Gruppe von einer Vielzahl von Diamanten 8 gebildet ist, die in an der Außenfläche des Bohrwerk- «> zeugkörpers 1 angeordnete Stege 9 eingesetzt sind. Diese bestehen aus dem gleichen Werkstoff wie der Bohrwerkzeugkörper 1 und sind während dessen Herstellung durch Sintern ausgebildet. Die Diamanten sind in Feldern 10, 11, 12 und 13 zusammengefaßt, die r> durch vier Flüssigkeitsaustritts- bzw. Wasserkanäle 14, 15, 16 und 17 voneinander getrennt sind und alle die gleiche Konfiguration aufweisen. Das Diamantenfeld 10 unterscheidet sich jedoch insofern von den anderen Diamantenfeldern, als es von einer aus drei großen, nahe des Mittelpunktes des Bohrwerkzeugs angeordneten Diamanten bestehenden Diamantgruppe 18 gebildet ist.

Die Stege 9 sind im wesentlichen spiralförmig ausgebildet. Bei Drehung des Bohrwerkzeuges wird somit die gesamte Bohrlochsohle, aber ausgenommen ·τ> der mittlere Teil, den in die Stege 9 eingesetzten Diamanten 8 abgeschabt bzw. schleifend abgetragen. Das Gesteinsmaterial im mittleren Teil der Bohrlochsohle wird von der aus drei großen Diamanten bestehenden Diamantgruppe 18 abgeschliffen.

Die Diamanten, von denen die erste Gruppe von Schneidwerkzeugen am Bohrwerkzeug gebildet ist, sind somit in der Lage, ein Loch zu bohren, wenn das Bohrwerkzeug im Bohrloch in Drehung versetzt und von einer axial gerichteten Last, dem sogenannten v, Meißel- bzw. Bohrdruck oder Vorschubkraft, belastet ist. Es leuchtet jedoch ein, daO die Diamanten sich beim Abschaben der Bohrlochsohle erwärmen und daher gekühlt werden müssen, um sie vor Verbrennen zu schützen. Zu diesem Zweck wird der Bohrwerkzeugkör- wi per 1 an seiner Außenfläche mit Bohrflüssigkeit bespült, die dieser Fläche über das (nicht gezeichnete) Bohrgestänge, den zentralen Kanal 4 im Schaft 2, den Innenraum 5 des Bohrwerkzeugkörpers und Bohrungen 19 zugeführt wird, die die Verbindung zwischen dem i.i Innenraum 5 und der Außenseite des Bohrwerkzeugkörpers 1 herstellen.

In der Seitenwand des Bohrwerkzeugkömers 1 angeordnete Diamanten 20 gehören ebenfalls zur ersten Gruppe von Schneidwerkzeugen. Diese Diamanten sind in radialer Richtung stumpf oder nicht schneidend eingesetzt, was bedeutet, daß sie in einer auf die Drehachse des Bohrwerkzeuges bezogenen radialen Richtung die Formation nicht zu zerspanen vermögen, sondern daß sie in Richtung nach unten schneiden und somit den Durchmesser des gebohrten Loches auf einer im wesentlichen konstanten Größe halten, auch dann, wenn ein oder mehrere der am Rand der Diamantfelder 10 bis 13 eingesetzten Diamanten ausfallen sollten.

Die Bohrungen 19 sind an der Auslaßseite mit verschleißfesten Strahldüsen 21 versehen, die in die Wasserkanäle 14 bis 17 münden, welche die Diamantfelder 10 bis 13 gegeneinander abgrenzen. Die Spitzen der Düsen 21 ragen aus dem Boden der Kanäle 14 bis 17 nicht aus und sind daher beim Bohren des Loches mit den Diamanten 8 und 18 mit der Formation nicht in Berührung.

Die zweite Gruppe von Schneidwerkzeugen des Drehbohrwerkzeuges nach der Erfindung ist von den Düsen 21 gebildet, die in der Weise angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden Flüssigkeitsstrahlen bei Drehung des Bohrwerkzeuges und unter der Voraussetzung, daß der Druck der den Düsen zugeführten Flüssigkeit ausreichend hoch ist, die Bohrlochsohle aufzubrechen vermögen. Die in den Wasserkanälen 15 und 17 angeordneten Düsen 21 wandern entlang der gleichen Gruppe von kreisförmigen Bewegungsbahnen, die sich zwischen den kreisförmigen Bewegungsbahnen befinden, die bei Drehung des Bohrwerkzeuges von den in den Wasserkanälen 14 und 16 angeordneten Düsen 21 beschrieben werden. Die Konfiguration der Bewegungsbahnen ist so gewählt, daß mit Ausnahme des mittleren Teils der Bohrlochsohle die gesamte Sohlenfläche geschnitten wird. Die gegenseitigen Abstand zwischen benachbarten Bahnen, welche von den Strahldüsen bestrichen werden, ist höchstens gleich dem Dreifachen des Düsendurchmessers. Weisen die Düsen in einander benachbarten Bahnen verschiedene Durchmesser d\ bzw. di auf, dann ist der radiale Abstand zwischen diesen Bahnen nicht größer als 1,5 (d\ + di) zu wählen. Irn mittleren Teil der Bohrlochsohle liegen die Bewegungsbahnen einer aus vier nahe des Mittelpunktes der Bohrwerkzeug-Unterseite angeordneten Düsen bestehenden Düsengruppe 22.

Beim Bohren eines Loches mit Hilfe der zweiten, aus den Düsen 21 und 22 zusammengesetzten Gruppe von Schneidwerkzeugen braucht der Bohrwerkzeugkörper 1 nicht notwendigerweise in Berührung mit der Bohrlochsohle zu sein. Jedoch muß der Abstand zwischen den Auslässen der Düsen 21 und 22 und der Bohrlochsohle konstant und ausreichend klein gehalten werden, damit die aus den Düsen 21 und 22 austretenden schnellströmenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen die Bohrlochsohle aufbrechen können. Es wird jedoch als vorteilhaft angesehen, das Bohrwerkzeug unter einer verhältnismäßig kleinen axialen Last zu drehen. Diese Last wird teilweise von den Diamanten 8 und teilweise von den Diamanten der Diamantgruppe 18 aufgenommen. Auf diese Weise ist das Bohrwerkzeug stets in Berührung mit der Bohrlochsohle, und während der Drehung des Bohrwerkzeuges und dessen Eindringens in die zerbohrte Formation bleibt der Abstand zwischen den Auslassen der Düsen 21 und 22 und der Bohrwerkzeug ausgeübte axiale Last ist nur ein P'-üc-hteil des Bohrdruckes oder der Vorschubkraft, ist beirr. Bohren mit der ersten Gruppe von Zerkleine-

rungsvorrichtungen aufgebracht wird, welche beim Beispiel entsprechend Fig. 1 und 2 von den Diamanten gebildet sind. Auf diese Weise bricht die erste Gruppe von Schneidwerkzeuge die Bohrlochsohle nicht auf, sondern bleibt mit dieser nur in Berührung, um den Abstand zwischen den Auslässen der Düsen und der Bohrlochsohle konstant zu halten.

Es sei darauf hingewiesen, daß die beiden Gruppen von Schneidwerkzeugen, nämlich die Diamanten und die Düsen, obgleich sie bei dem Bohrwerkzeug nach der Erfindung so angeordnet sind, daß sie das Loch unabhängig voneinander zu bohren vermögen, sich bei dieser Bohrarbeit zur Erzielung bestmöglicher Ergebnisse gegenseitig unterstützen können. Bei Diamantbohren dienen die Düsen dazu, den Diamanten Bohrflüssigkeit zum Kühlen und Freispülen der Diamanten zuzuführen. Jedoch macht die Größe der durch die Düsen aufgebrachten hydraulischen Kraft nur einen Bruchteil der Kraft aus, die beim Bohren des Loches mit Hilfe der aus den Strahldüsen austretenden Flüssigkeitsstrahlen erforderlich ist. Andererseits werden die Diamanten beim Bohren des Loches mit Hilfe der Strahldüsen durch axiales Belasten des Bohrwerkzeuges in Berührung mit der Bohrlochsohle gehalten. Dieser axial gerichtete Bohrdruck beträgt jedoch nur einen Bruchteil der Axiallast, die beim Bohren eines Loches nur durch die Wirkung der Diamanten am Bohrwerkzeug aufgetragen wird.

Fig. 3 zeigt in Ansicht von unten ein Bohrwerkzeug nach der Erfindung, bei dem sowohl die Diamanten als auch die Strahldüsen entsprechend einer von der in F i g. 2 dargestellten Konfiguration verschiedenen Konfiguration angeordnet sind. Das in Fig. 3 gezeigte Bohrwerkzeug weist wie das Bohrwerkzeug entsprechend Fig.2 einen Mittelteil zum Zerbohren des Lochzentrums auf. Die Bohrarbeit erfolgt daher entweder mit großen Diamanten 30 oder mit den aus Strahldüsen 31 austretenden Flüssigkeitsstrahlen. Der übrige Teil der Sohlenfläche des mit dem Bohrwerkzeug entsprechend F i g. 3 gebohrten Loches wird entweder mit Diamanten 32 in Diamantfeldern 33,34 und 35 oder mit den aus Strahldüsen 36 austretenden Flüssigkeitsstrahlen aufgebrochen. Diese Strahldüsen sind in Wasserkanälen 37 angeordnet, die spiralförmig sind, so daß einander benachbarte Strahldüsen mit einem ausreichend großen Zwischenabstand angeordnet werden können, um eine zu große Schwächung der Bohrwerkzeugkörper zu vermeiden. Die Wasserkanäle 37 grenzen einander benachbarte Diamantfelder gegeneinander ab. Die Diamanten 32 lassen sich über die verschiedenen Diamantfelder in beliebiger Weise verteilen, vorausgesetzt, daß das Anordnungsmuster für die Diamanten zum Abschaben bzw. schleifenden Abtragen der das Lochzentrum umgebenden Bohrlochsohlenfläche geeignet ist.

Statt nach dem in F i g. 3 gezeigten Anordnungsmuster lassen sich die Diamanten auch, wie in Fig.2 dargestellt, an Stegen anordnen. Auch können die Stege, anders als beim Beispiel entsprechend F i g. 2, kreisförmig statt spiralförmig ausgebildet sein. Zwischen den über die Diamantfelder 33, 34 und 35 verteilten Diamanten 32 kennen (nicht gezeichnete) zusätzliche oder Hilfs-Wasserkanäle angeordnet sein, die im Querschnitt kleiner sind als die Wasserkanäle 37. Diese Hilfs-Wasserkanäle können in dem entsprechenden Diamantfeld zwischen den dieses einschließenden Haupt-Wasserkanälen 37 verlaufen.

Es versteht sich, daß die Auslässe der in den Wasserkanälen angeordneten Düsen auf ein Nivea gelegt sind, bei dem sie mit der Sohle des gebohrte Loches nicht in Berührung sind, auch wenn dies Bohrarbeit nur mit den Diamanten des Bohrwerkzeuge: und bei maximalem Bohrdruck oder maximale Vorschubkraft erfolgt.

Wie in Fig.3 zu erkennen, stehen die Wasserkanal 37 mit Bohrschmand-Austrittschlitzen 38 in Verbindung, die in bekannter Weise in einer Seitenwand 39 des Bohrwerkzeugkörpers 40 ausgebildet sind. In di Seitenwand des in F i g. 3 dargestellten Bohrwerkzeuge:

können den Diamanten 20 (F i g. 1) ähnliche Diamante eingesetzt sein.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsform für di Strahldüsen, Fiüssigkeiis- oder Wasserkanäle uni Diamantfelder. Bei diesem Beispiel stehen Kanäle 4 nahe des Zentrums eines Bohrwerkzeugkörpers 4 miteinander in Verbindung. In diesen Kanälen 4t sin Hochdruck-Düsen 43 in der Weise angeordnet, daß im Betrieb die an ihnen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen an dei gesamten Sohlenfläche des gebohrten Loches angreife und diese dadurch aufbrechen. Arbeitet das Bohrwerk zeug mit den Diamanten 44 wirken die Kanäle 4t al:

Verteilerkanäle für die über die Düsen 43 herangeführt Bohrflüssigkeit, die dann allerdings unter niedrigerem Druck steht als beim Bohren mit Hilfe der schnellströmenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen. Zu dem vor genannten Zweck sind die Kanäle 41 nahe ihrer Ende verschlossen, wodurch die Bohrflüssigkeit gezwunge ist, aus den Kanälen 41 zu Kanälen 45 überzuströmen die nahe ihrer dem Zentrum der Unterseite des Bohrwerkzeugkörpers 42 benachbarten Enden ver schlossen sind. Die anderen Enden der Kanäle 45 sin offen und gestatten der Bohrflüssigkeit, an eine Seitenwand 46 des Bohrwerkzeugkörpers 42 vorbei i den über dem Bohrwerkzeug liegenden Raum auszutre ten.

Die Richtungen der Bohrflüssigkeitsströmungen sin vereinfacht mit Pfeilen 47 angegeben. Arbeitet da Bohrwerkzeug nur mit den Diamanten 44, strömt di Flüssigkeit an diesen vorbei, um sie zu kühlen. Aue wenn das Bohrwerkzeug nur durch die Wirkung der ai den Düsen 43 austretenden Flüssigkeitsstrahlen bohr geht die Flüssigkeit von den Kanälen 41 zu den Kanäle 45 über, um dadurch die Diamanten 44 zu kühlen, die ii diesem Fall lediglich dazu dienen, zwischen dei Auslässen der Düsen 43 und der Bohrlochsohle einer festen Abstand aufrechtzuhalten. Der Bohrdruck mach dann lediglich einen Bruchteil der Vorschubkraft bein Bohren nur durch die Wirkung der Diamanten aus.

Das Zerbohren des Lochzentrums erfolgt entwede mit den Flüssigkeitsstrahlen, die aus den der Mittelachs des Bohrwerkzeugkörpers 42 am nächsten gelegene:

Düse 43 austreten, oder mit einem nahe des Zentrum des Bohrwerkzeugkörpers 42 eingesetzten Diamant 4i Die Düsenauslässe sind in den Flüssigkeit- ode Wasserkanälen 41 auf einem Niveau angeordnet, daß si von der Bohrlochsohle nicht beschädigt oder verstopf werden können.

Die Erfindung ist nicht auf ein Bohrwerkzeug mi radialer Anordnung der Wasserkanäle 41 und/oder de Kanäle 45 beschränkt Bei Bedarf können die Kanal anders gestaltet sein. Auch können in den Kanälen 4.

ein Teil der Düsen 43 oder den Düsen 43 ähnlich zusätzliche Düsen angeordnet sein.

Des weiteren kann die Verteilung der Bohrflüssigkei über die zwischen einander benachbarten Gruppen vo

Wasserkanälen 41 und 45 liegenden Diamantfelder mit zusätzlichen oder Hilfskanälen für Flüssigkeit oder Wasser erfolgen. Diese Hilfskanäle können spiral- oder kreisförmig sein oder eine beliebige andere, für die Verteilung der Flüssigkeit über die Diamanten zweck- s mäßige Gestalt aufweisen. Die Auslässe der Kanäle 45 können verbreitert sein, um als Bohrschmand-Austrittschlitzezu wirken.

Die Erfindung ist nicht auf die Gestaltgebung der Unterseite des in Fig. 1 dargestellten Bohrwerkzeugkörpers 1 beschränkt. Es kann jede beliebige, zweckdienliche Gestalt gewählt sein. Bei Bedarf kann der Bodenmittelteil des Bohrwerkzeugkörpers 1 um einen geringen Betrag vertieft sein.

Außerdem kann abweichend von den in Fig. 1 bis 4 gezeigten Beispielen jede beliebige Anzahl von Wasserkanälen und Strahldüsen in denselben vorgesehen sein. Es versteht sich, daß die Tiefe der Kanäle in Verbindung mit verschiedenen Faktoren gewählt ist, beispielsweise dem in der Zeiteinheit den Kanälen zugeführten Flüssigkeitsvolumen, der Kanalbreite und dem Druckabfall an den Düsen. Die Kanalseitenwände müssen nicht geschlossen sein. Wie in F i g. 2 zu erkennen, sind die Seitenwände der Kanäle 14 bis 17 von den Enden der Stege 9 gebildet.

Die Auslässe der Strahldüsen schließen nicht notwendigerweise flächengleich mit den Kanalböden ab, wie in F i g. 1 dargestellt. Bei Bedarf können die Düsen um einen geringen Betrag aus dem Kanalboden vortreten. Auch können die Kanalböden mit Vertiefungen oder Erhebungen versehen sein, in denen die Auslässe der Düsen enden.

Für die Herstellung der Düsen ist jeder beliebige Werkstoff, der gegen die Hochgeschwindigkeitsströmung der Bohrflüssigkeit widerstandsfähig ist, verwendbar. Diese Düsen können aus Hartmetall hergestellt und am Bohrwerkzeugkörper durch Weich- oder Hartlöten angebracht sein. Die Form des Flüssigkeits-Strömungskanals in der Düse kann von der in F i g. 1 gezeigten Ausgestaltung abweichen. Werden Düsenkörper mit großem Außendurchmesser verwendet, bilden die der Bohrlochsohle zugewandten Düsenenden einen beträchtlichen Teil des Kanalbodens. Dadurch ist eine übermäßige Erosion oder Abnützung der Kanalböden durch die Wirkung der von der Bohrlochsohle zurückprallenden Flüssigkeitsstrahlen verhindert.

Als Grundwerkstoff für den Bohrwerkzeugkörper ist jedes beliebige, hierfür geeignete Sintermaterial verwendbar. Da solche Materialien sowohl an sich ais auch in Verbindung mit der Herstellung von Diamantbohrkronen bekannt sind, wird auf eine ins einzelne gehende Beschreibung verzichtet.

Bei Verwendung des Bohrwerkzeugs nach der Erfindung in Ausbildung entsprechend den in F i g. 1 bis 4 gezeigten Beispielen zum Bohren eines Loches in eine unterirdische Formation, wird das Bohrwerkzeug an ein Bohrgestänge angeschlossen, das eine Schwerstange aufweisen kann. Auch kann das Bohrwerkzeug mit einer hydraulischen Turbine oder mit einer beliebigen anderen, zweckdienlichen Antriebsvorrichtung verkoppelt sein. Das Bohrwerkzeug wird mit einer Axiallast belastet, die ausreicht, das Bohrwerkzeug während Drehung in Berührung mit der Bohrlochsohle zu halten. Diese Last wird von den Diamanten aufgenommen, die an der Bohrlochsohle aufruhen. Dem Innenraum des Bohrwerkzeugkörpers wird über das Bohrgestänge und die Schwerstange unter hohem Druck stehende Flüssigkeit zugeführt, die aus den Strahlendüsen, welche die Verbindung zwischen dem Innenraum und der Außenseite des Bohrwerkzeugkörpers herstellen, mit hoher Geschwindigkeit austritt und mit hohem Druck in die Risse und Poren in der Bohrlochsohle eindringt, diese dadurch aufbricht und dem Bohrwerkzeug ermöglicht, in die Formationsschichten, in die ein Loch gebohrt werden soll, einzudringen.

Trifft das Bohrwerkzeug auf Formationsschichten von extremer Härte, kann es vorkommen, daß sich die Bohrlochsohle mit den Flüssigkeitsstrahlen nicht aufbrechen läßt. Der Bohrdruck bzw. die am Bohrwerkzeug angreifende Last wird dann erhöht, und die Bohrlochsohle wird mit den Diamanten schleifend abgetragen. Die anfängliche Größe des Druckes der den Strahldüsen zugeführten Flüssigkeit kann beibehalten werden, wenn die zu durchdringende Schicht von extremer Härte nur eine geringe Dicke besitzt. Ist von den zu durchdringenden Schichten bekannt, daß sie dick sind, und daß daher für das Durchbohren durch die Wirkung der Diamanten eine lange Zeit erforderlich ist, wird jedoch eine Herabsetzung des Zuführdruckes der Flüssigkeit auf einen Wert bevorzugt, der ausreicht, um eine ausreichende Kühlung der Diamanten sicherzustellen.

Es versteht sich, daß unabhängig von der Arbeitsweise des Bohrwerkzeuges nach der Erfindung der Flüssigkeitsstrom durch das Bohrwerkzeug und in den Ringraum, der im Bohrloch das Bohrgestänge umschließt, ausreichend sein sollte, um ein einwandfreies Wegschaffen der Gebirgsstücke und des Bohrschmands zu ermöglichen.

Die während des Bohrens auf das Bohrwerkzeug ausgeübte Last oder Vorschubkraft hängt in hohem Maße vom Durchmesser des Bohrwerkzeuges ab. Beim Bohren im wesentlichen durch die Wirkung der Diamanten liegt bei einem Bohrwerkzeug mit einem Durchmesser von etwa 165 mm die Vorschubkraft normalerweise zwischen 10 und 20 Tonnen. Die bei einem Bohrwerkzeug mit einem Durchmesser von etwa 245 mm angewandte Axiallast kann zwischen 20 und 30 Tonnen betragen. Beide Lastwerte gelten für eine Geschwindigkeit von 100 bis 200 U/min. Die Axiallast auf das Bohrwerkzeug wird verringert, wenn das Bohrwerkzeug im wesentlichen durch die Wirkung der Flüssigkeitsstrahlen bohrt. Dann ist bei dem Bohrwerkzeug mit etwa 165 mm Durchmesser eine Axiallast von etwa 2 bis 5 Tonnen, bei dem Bohrwerkzeug mit etwa 245 mm Durchmesser eine solche von 4 bis 7 Tonnen ausreichend, um das Bohrwerkzeug, d. h. die Diamanten in Berührung mit der Bohrlochsohle zu halten, um den Abstand zwischen dieser und den Auslassen der Düsen konstant zu halten. Die Drehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges kann dann 200 U/min betragen. Die Zufuhr der Flüssigkeit zu den Düsen kann mit Drücken im Bereich zwischen 300 und 1000 at oder sogar darüber erfolgen. Die Strahlgeschwindigkeiten in den Düsen liegen im Bereich zwischen 200 und 500 m/s oder sogar darüber.

Die Düsen können entweder alle den gleichen Durchmesser oder verschiedene Durchmesser besitzen. Die der Seitenwand des Bohrwerkzeugkörpers zunächst angeordneten Düsen sind so ausgebildet, daß die Seitenwand des Bohrloches auf einen ausreichend großen Durchmesser gebohrt wird, um den Durchgang des Bohrwerkzeugkörpers durch das Bohrloch zu ermöglichen. Auch kann eine beliebige Anzahl von Düsen entlang einer gemeinsamen Bewegungsbahn wandern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeder

Düse eine getrennte Bewegungsbahn zuzuordnen.

Die Anordnung der Strahldüsen in den Flüssigkeitskanälen hat den Vorteil, daß die Düsen zur Flüssigkeitsspülung der Diamanten verwendet werden können, wenn das Bohrwerkzeug als Diamant-Bohrkrone eingesetzt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ergibt sich daraus, daß die Düsenauslässe beim Diamantbohren durch die Bohrlochsohle nicht beschädigt werden können. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Düsenauslässe durch die Wirkung der aus den Düsen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen in konstantem Abstand von der Bohrlochsohle gehalten werden können, und daß sich die Flüssigkeitskanäle zum Abführen der Flüssigkeit aus dem unter dem Bohrwerkzeug liegenden Raum verwenden lassen, ohne daß an der Oberfläche des Bohrwerkzeugkörpers übergroßer Verschleiß auftritt.

Statt aus Diamanten, wie in den Beispielen entsprechend Fig. 1 bis 4 gezeigt, kann die erste Gruppe von Schneidwerkzeugen aus anderen abriebfesten Schneidelementen zusammengesetzt sein, beispielsweise aus Diamantsplittern hergestellte und in eine entsprechende Grundmasse eingebettete Schneidelemente.

Jedes der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Bohrwerkzeuge läßt sich am unteren Ende eines Bohrgestänges anbringen, das mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit iii das Bohrloch niedergefahren wird. Die am Bohrwerkzeug angreifende Last oder die Vorschubkraft steigt dann automatisch an, sobald Schichten mit zunehmender Härte angetroffen werden. Danach beginnen die Gestein zerspanenden Elemente der ersten Gruppe von Schneidwerkzeugen, das Gestein mechanisch zu lösen. Sobald der Durchbruch durch die Schichten großer Härte erfolgt ist, nimmt der Bohrdruck automatisch ab, und die Elemente der ersten Gruppe von Schneidwerkzeugen übernehmen wieder ihre Aufgabe als Abstandstücke, um den Abstand zwischen den Düsenauslässen und der Bohrlochsohle konstant zu halten. Unter diesen Bedingungen wird die Bohrlochsohle von der ersten Gruppe von Schneidwerkzeugen nicht aufgebrochen. Es versteht sich, daß ein Ansteigen des Bohrdruckes über ein vorbestimmtes Maximum hinaus verhindert ist. Sobald dieses Maximum erreicht ist, wird der nach unten gerichtete Vorschub des Bohrwerkzeuges verkleinert.

Bei Bedarf können anstelle von in den Bohrwerkzeugkörper eingesetzten Diamanten andere Schneidelemente zum mechanischen Zerbohren der gesamten Fläche der Bohrlochsohle verwendet sein. Derartige Schneidelemente können von Zähnen oder anderen Vorsprüngen gebildet sein, die an gegenüber dem Bohrwerkzeugkörper drehbar angeordneten Körpern angebracht sind, die während cies Arbeitens des Bohrwerkzeuges im Bohrloch an der Bohrlochsohle abrollen. Ist die Vorschubkraft ausreichend groß gewählt, brechen die an den drehbaren Körpern angeordneten Zähne mechanisch die gesamte Fläche der Bohrlochsohle auf. Bei geringerer Belastung des Bohrwerkzeuges wirken diese Zähne nicht als Schneidelemente, sondern halten die Hochdruck-Strahldüsen des Bohrwerkzeuges in einem konstanten Abstand über der Bohrlochsohle. Bei Zufuhr eines ausreichend hohen Flüssigkeitsdruckes brechen die Flüssigkeitsstrahlen die gesamte Fläche der Bohrlochsohle auf.

Anhand F i g. 5 und 6 sei nunmehr beispielsweise ein drehend arbeitendes Bohrwerkzeug nach der Erfindung beschrieben, das als die erste Gruppe von Schneidwerkzeugen Rollen mit Schneidelementen und als zweite Gruppe von Schneidwerkzeugen Strahldüsen aufweist In F i g. 6 ist aus Gründen der Vereinfachung die Schnittdarstellung der Rollen weggelassen.

Das in Fig. 5 dargestellte Drehbohrwerkzeug weist einen Körper 51 und einen Schaft 52 mit einem ί kegeligen Gewindeteil 53 auf. Im Schaft 52 und im Bohrwerkzeugkörper 51 ist ein Innenraum ausgebildet, der aus einem Mittelraum 54, Leitungen 55 und 56 (F i g. 5) und einer Leitung 57 (F i g. 6) zusammengesetzt ist, und durch den Flüssigkeit Düsengruppen 58 (F i g. 5)

ίο und 59 und 60 (Fig. 6) zuführbar ist. Die drei Düsengruppen bilden die zweite Gruppe von Schneidwerkzeugen des Drehbohrwerkzeuges dieses Beispiels. Bei Drehung des Bohrwerkzeuges um seine Mittelachse 61 decken die Bewegungsbahnen dieser zweiten Gruppe von Schneidwerkzeugen die gesamte Sohlenf lache des Bohrloches, in dem das Bohrwerkzeug arbeitet. Die Leitungen 55, 56 und 57 verlaufen durch Teil des Bohrwerkzeugkörpers 51 bildende Schenkel 62, 63 und 64.

2u Die erste Gruppe von Schneidwerkzeugen ist von Rollen 65 und 66 gebildet, an deren Außenflächen jeweils Reihen von Gestein zerspanenden Schneidelementen 67 befestigt sind. Die Rolle 65 ist kegelförmig und drehbar auf einem Zapfen 68 angeordnet, der an

2^r> einem Ende mit dem Schenkel 62 verbunden ist.

Zwischen der Rolle 65 und dem Zapfen 68 ist ein Kugel-Zylinderrollen-Lager 69 angeordnet. Die Leitung 55 verläuft teilweise im Zapfen 68.

Die Rolle 66 ist ebenfalls kegelförmig und mit einem

jii Kugel-Zylinderrollen-Lager 71 drehbar auf einem Zapfen 70 gelagert, der an einem Ende mit einem Teil des Bohrwerkzeugkörpers 51 bildenden Schenkel 72 und am anderen Ende mit dem Zapfen 68 verbunden ist.

Bei Drehung des Bohrwerkzeuges in einem Bohrloch

ii decken die Bewegungsbahnen der das Gestein zerspanenden Schneidelemente 67 die gesamte Fläche der Bohrlochsohle ab. Je nach der Größe der vom Bedienungspersonal eingestellten Vorschubkraft arbeiten die Schneidelemente 67 entweder als Mittel zur Beibehaltung eines konstanten Abstandes zwischen der Bohrlochsohle und der Auslaßöffnung jeder zu einer der Düsengruppen 58,59 und 60 gehörenden Düse, oder als Werkzeug zum Brechen oder Zerspanen von Gestein, mit dem sich die Bohrlochsohle unter der Wirkung oder

Vi dem Einfluß der an jedem der Schneidelemente 67 aufgetragenen Last oder Bohrdruck aufbrechen läßt.

Es versteht sich, daß bei Verwendung der Schneidelemente 67 zum Beibehalten eines festen Abstandes zwischen den Auslaßöffnungen der Düsen und der

^r><> Bohrlochsohle ein verhältnismäßig niedriger Bohrdruck angewandt wird. Es genügt eine Vorschubkraft, die verändert, daß das Bohrwerkzeug bei Drehung von der Bohrlochsohle zurückprallt. Das Eindringen des Bohrwerkzeuges in die von ihm zerbohrte Formation erfolgt

Ti durch Zuführen von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit über das das Bohrwerkzeug tragende Bohrgestänge in den Innenraum 54 des Bohrwerkzeugs. Die Düsen sind über die Düsengruppen 58,59 und 60 in der Weise verteilt, daß bei Drehung des Bohrwerkzeugs

«ι die gesamte Fläche der Bohrlochsohle von den Bewegungsbahnen der aus den Düsen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen gedeckt ist, so daß die Bohrlochsohle über ihrer gesamten Fläche aufgebrochen wird. Da der Bohrdruck

hi verhältnismäßig niedrig ist, brechen die Schneidelemente 67 der ersten Gruppe von Schneidwerkzeugen die Bohrlochsohle nicht auf. Das Aufbrechen extrem harter Schichten, auf die das

Bohrwerkzeug beim Bohren auftrifft, erfolgt durch Erhöhen des Bohrdruckes auf einen Wert, bei dem die einzelnen Gestein zerspanenden Schneidelemente 67 der Rollen 65 und 66 ihre Bahnen in die Bohrlochsohle zu brechen und die Bohrlochsohle auf ihrer gesamten ■> Fläche aufzubrechen vermögen. Der Druck der dem Innenraum 54 des Bohrwerkzeugs zugeführten Flüssigkeit kann auf eine Größe herabgesetzt werden, bei der die Wirkung der aus den Düsen austretenden Flüssigkeiiastrahlen zum Aufbrechen der Bohrlochsohle nicht ausreicht, jedoch zum Kühlen der Schneidelemente 67 und zum Transportieren des Bohrschmands nach über Tage genügt. Sind die vom Bohrwerkzeug zu durchbrechenden harten Schichten verhältnismäßig dünn, braucht der Flüssigkeitsdruck nicht herabgesetzt zu r> werden, da das Bohrwerkzeug die kleinen Schichten rasch durchdringt. Indem man das Bohrgestänge mit konstantem Vorschub niederfährt, steigt der Bohrdruck automatisch bis zu einer erforderlichen Größe an, sobald eine harte Schicht angetroffen wird, und _>o verringert sich ebenso automatisch auf die normale, verhältnismäßig niedrige Größe, sobald die harte Schicht durchbrochen ist. Sobald für den Bohrdruck oder die Vorschubkraf* ein Maximum erreicht ist, wird die Vorschubgeschwinaigkeit des Bohrgestänges herabgesetzt.

Es leuchtet ein, daß das in Fig. 5 und 6 gezeigte Bohrwerkzeug auch mit Rollen in einer vom dargestellten Beispiel verschiedenen Ausbildung ausgerüstet sein kann. Die aus verschleißfestem Werkstoff hergestellten Elemente 67 können anders als gezeigt gestaltet oder durch an der Außenfläche der Rollen ausgebildete Zähne ersetzt sein.

Auch können die Düsen, mit denen schnellströmendc Hochdruckstrahlen an Bewegungsbahnen ausgebildet werden, die die gesamte Fläche der Bohrlochsohle decken, in anderen Gruppen zusammengefaßt sein als bei dem in Fig.5 und 6 dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Um an den Seilenwänden eines Flüssigkeitskanals, in den eine Düse mündet, übermäßige Abnützung zu verhindern, sollte der Abstand zwischen einer Seitenwand und dem Mittelpunkt der Düse mit dem Durchmesser ^wenigstens 3,5dbetragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehbohrwerkzeug für Gesteinsformationen, aus einem Schaft, insbesondere Gewindeschaft, zur Verbindung mit einem Bohrgestänge und einem mit dem Schaft verbundenen, zur Drehachse koaxialen Bohrwerkzeugkörper mit einem Hohlraum, der bei mit dem Bohrwerkzeug verbundenem Bohrgestänge mit dem Inneren des Bohrgestänges in Strömungsverbindung für Flüssigkeit steht, mit mechanischen Schneidwerkzeugen und mit einer Vielzahl mit dem Hohlraum in Verbindung stehender, sich auf konzentrischen Bahnen bewegender Flüssigkeitsstrahldüsen, die einen Flüssigkeitsaustrittskanal mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüsen (21;31, 36; 43; 48, 39, 60) den gesamten Querschnitt der Bohrlochsohle überstreichend mit einem gegenseitigen Abstand zwischen benachbarten Bahnen von höchstens 1,5 (d\ + cfc) in dem Bohrwerkzeugkörper (1; 40; 51) angeordnet sind, wobei d\ und ch die Durchmesser von Strahldüsen benachbarter Bahnen bedeuten.

2. Drehbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidwerkzeuge (8, 18, 20; 30,32; 44,48) in den Bohrwerkzeugkörper (1; 40) eingesetzte, abriebfeste Schneidelemente sind.

3. Drehbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidwerkzeuge (8, 18, 20; 30,32) in Feldern (10,11,12,13; 33,34,35) über die Stirnfläche des Bohrwerkzeugkörpers (1; 40) verteilt sind, die an in der Stirnfläche ausgebildete Flüssigkeitskanäle (14,15,16, 57; 37; 41) angrenzen, wobei die Strahldüsen (21; 31, 36; 43) in diese Flüssigkeitskanäle münden.

4. Drehbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidwerkzeuge (65, 66) Rollenmeißel sind.