DE2802869C2 - Gesteinsbohrwerkzeug mit einem über einen Werkzeugträger in Drehung versetzbaren Gehäuse - Google Patents
Gesteinsbohrwerkzeug mit einem über einen Werkzeugträger in Drehung versetzbaren GehäuseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug mit einem über einen Werkzeugträger in Drehung versetzbaren
Gehäuse, einem Hohlraum im Gehäuse, dem über die Axialbohrung des Werkzeugträgers ein Spülfluid zuführbar
ist, einer Vielzahl von drehbaren, vom Werkzeuggehäuse getragenen Organen mit Angriffselementen
zum Abtragen des Gesteins entlang einer Schneidfront, Spülungseinrichtungen für wenigstens einen gegen
die Schneidfront gerichteten Fluidstrahl, die wenig-
stens eine erste kalibrierte Öffnung im Gehäuse des Werkzeugs umfassen, direkt mit dem Hohlraum im Gehäuse
in Verbindung stehen und an einer ersten Stelle zwischen zwei benachbarten der sich drehenden Organe
münden, und mit Einrichtungen zum Ansaugen des abfließenden, mit Bohrklein angereicherten Spülfluids,
die wenigstens einen aufsteigend gerichteten Saugfluidstrahl liefern, wobei die Saugeinrichtungen wenigstens
eine zweite Öffnung im Werkzeuggehäuse oberhalb einer zweiten Stelle zwischen zwei benachbarten der sich
drehenden Organe aufweisen und die erste, gegen die Schneidfront der sich drehenden Organe gerichtete kalibrierte
Öffnung im wesentlichen parallel zur Werkzeugachse angeordnet ist (DE-OS 25 29 380 entsprechend
FR-PS 22 77 968). Hierbei ist eine Schürze oder ein Gehäuse vorgesehen, welches den über der Schneidfront
liegenden Raum vom Ringraum isoliert, der zwischen der Bohrlochwandung und der Bohrkolonne begrenzt
ist. Während dieses Werkzeug für Bohrlöcher sehr großen Durchmessers, das Bohren mit Luft etc.
vollkommen geeignet ist, kann es Schwierigkeiten darum geben, weil über eine ziemlich große Länge das
Werkzeug einen Außendurchmesser aufweist, der sich nur geringfügig vom Durchmesser des Bohrlochs unterscheidet,
und damit ein Verklemmen nicht auszuschlie-Ben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verklemmen zu vermeiden und die Herstellung des
Bohrwerkzeugs zu vereinfachen, insbesondere für lange Werkzeuge mit einem Durchmesser, der nur geringfügig
kleiner als der des Bohrlochs ist.
Erreicht wird dies bei einem Gesteinsbohrwerkzeug der oben angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch,
daß die erste gegen die Schneidfront der sich drehenden
Organe 5,6,7 gerichtete kalibrierte öffnung 10 in einem
Abstand von der Schneidfront der sich drehenden Organe 5,6, 7 angeordnet ist, der zwischen V3 //und */s /»f
liegt wobei //die axiale Erstreckung der sich drehenden
Organe 5,6,7 parallel zur Werkzeugachse ist
Ein Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung ist besonders einfach an das untere Ende einer Bohrkolonne befestigbar.
Bei bekannten in der Praxis verwendeten Werkzeugen nahmen die Strahlen einen Teil des mit Bohrklein
beladenen ßohrfluids gegen die Schneidfront mit, wodurch
das Bohrklein durch das Bohrwerkzeug erneut gebrochen wurde; der Wirkungsgrad sank. Bei anderen
bekannten Werkzeugen (beispielsweise US-PS 31 11 179) sind zwischen den Rollen des Werkzeugs
Spülstrahlen und Saugstrahlen angeordnet, die über in den Armen des Werkzeugs vorgesehene Kanäle beaufschlagt
werden. Aufgrund der Lage der Fluidstrahlen zu weit von der Schneidfront fort war die Lage der Saugstrahlen
so, daß das ausgestoßene Bohrfluid gegen die Bohrlochwandung schlug, was zu Gefahren einer Zerstörung
dieser Wandung führte, wodurch selbstverständlich in großem Ausmaß auch die Saugwirkung des
Strahls neutralisiert wurde.
Schließlich bekannt ist auch ein Dreirollenmeißel (US-PS 27 76 115), der mit einem einzigen Spülfluidstrahl
und zwei Saugstrahlen arbeitet. Der Fluidstrahl ist gegen die Mitte der Schneidfront geneigt, d. h. gegen
die Zone, wo die Achsen der Rollenmeißel sowie die freien Zwischenräume zwischen den Meißelrollen zusammenlaufen.
Damit wird der größere Teil des Spülfluids aus einem freien Zwischenraum in den nächsten
strömen, ohne die Kontaktfläche der Schneidfront mit den Meißelzähnen zu beaufschlagen. Die Leistungen liegen
also nicht höher als die der Werkzeuge vom ersten Typ. Eine industrielle Realisierung hat nicht stattgefunden.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung gelten alle diese Nachteile als beseitigt: Wichtig ist erfindungsgemäß
die Positionierung der die Spülfluidstrahlen erzeugenden öffnung. Es wurde die Wichtigkeit dieses Parameters
gefunden. Überraschend sind die genannten Werte, für die die Leistungen eines Bohrwerkzeugs
sprunghaft verbessert wurde.
Durch die erfindungsgemäß gegebenen Parameter stellt sich ein günstiges Zusammenwirken des Spülstrahls
und des Saugstrahls ein.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in
— F i g. 1 eine Ansicht des Werkzeugs nach der Erfindung von unten;
— F i g. 2 und 3 einen Schnitt durch das Werkzeug jeweils längs der Linien X'Xund K'KderFig. 1;
— F i g. 4 schematisch eine abgeänderte Ausführungsform der Saugeinrichtungen;
— F i g. 5 schematisch eine abgeänderte Ausführungsform einer Bewässerungsdüse;
— F i g. 6 einen Schnitt durch ein Beispiel eines Stabilisierungsorgans,
das sich oberhalb des Werkzeugs anordnen läßt; und
— F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Stabilisierungsorgan, in dem eine Venturidüse
in einem der Schenkel dieses Organs vorgesehen ist.
Das in den Figuren dargestellte Werkzeug besteht aus einem Gehäuse 1 mit drei Armen 2, 3 und 4, von
denen in den F i g. 2 und 3 nur zwei dargestellt sind. Diese Arme tragen Bodenangriffsorgane, die beispielsweise
aus konischen Messerrädern oder Meißelrollen 5, 6 und 7 bestehen, die auf nicht dargestellten Wälzlagern
sich drehen und deren Achsen bezüglich der vertikalen Achse des Werkzeugs geneigt sind. Jedes dieser sich
drehenden Organe kann von an sich bekannter Art sein und Zähne, wie F i g. 1 zeigt, umfassen oder auch andere
schneidende Elemente aufweisen, die in der Lage sind, den Boden in Höhe der Schneidfront anzugreifen.
Der obere Teil 8 des Gehäuses 1 (F i g. 2 und 3) ist mit Gewinde versehen, um die Verbindung des Werkzeugs
mit einem Werkzeugträgerelement, das es in Drehung versetzt, sicherzustellen.
Dieser mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnete Werkzeugträger kann durch die Bohrkolonne im Falle des
Rotarybohrens gebildet sein. Wird das Werkzeug direkt durch einen Bodenmotor in Drehung versetzt, so ist der
Werkzeugträger durch den Rotor dieses Motors gebildet.
Im Werkzeuggehäuse 1 ist ein Hohlraum la vorgesehen, der direkt mit dem Innenkanal der Bohrkolonne in
Verbindung steht
Das Werkzeuggehäuse ist mit kalibrierten öffnungen 10, 11 und 12 versehen, die mit dem Hohlraum la in
Verbindung stehen. Die beiden ersten öffnungen sind derart angeordnet, daß während der Arbeit des Werkzeugs
das Fluid, das den Hohlraum la speist über die Öffnungen 10 und 11 austritt und in den beiden freien
Hohlräumen zwischen den sich drehenden Organen 5,6 und 7 zwei Bewässerungsstrahlen für die Schneidfront
bildet, die im wesentlichen parallel zur Achse des Werkzeugs von oben nach unten, d. h. in Vortriebsrichtung
des Werkzeugs, gerichtet sind. Die dritte kalibrierte öffnung 12 ist derart vorgesehen, daß während der Arbeitsweise
des Werkzeugs das Fluid oberhalb des dritten freien Zwischenraums zwischen den beiden sich drehenden
Organen 5, 6 und 7 austritt und einen steigenden Strahl mit Saugeffekt bildet. Dieser steigende Strahl
sorgt für einen Unterdruck im Ringraum zwischen dem oberen Werkzeuganschluß und dem gebohrten Loch.
Im übrigen haben die kalibrierten Bewässerungsöffnungen 10 und 11 eine Entfernung h von der Schneidfront,
derart, daß dann, wenn man mit //die Abmessung
der Schneidorgane 5, 6 oder 7, gemessen parallel zur Drehachse des Schneidwerkzeuges bezeichnet, hat:
V3 H < h < V5 H
Ausgezeichnete Ergebnisse wurden insbesondere bei 0,4 H < h
< 0,5 H
erhalten.
Die Saugöffnung 12 ist unter einem Abstand 11 von
der Schneidfront angeordnet, der größer als der oben definierte Wert //ist
Dieser Abstand L ist vorzugsweise wenigstens gleich 1,4//.
Man verfügt so über einen Druckunterschied zwischen der Schneidfront und der Zone, in der sich der
Saugstrahl befindet. Diese Druckdifferenz beschleunigt in beachtlicher Weise das Aufsteigen des mit Bohrklein
beladenen Schlamms, der sehr schnell von der Bohrfront gegen diese Zone fließt.
Das Bohrklein wird von der Schneidfront abgezogen, sobald es gebildet ist; das Bohrwerkzeug bleibt also
dauernd sauber, was gesteigerte Bohrgeschwindigkeiten ermöglicht und die Lebensdauer der Organe des
Werkzeugs (Zähne, Lager, etc.) ansteigen läßt.
Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, kann es vorteilhaft sein,
daß die Speisung der kalibrierten öffnungen 10,11 und
12 mit Fluid aus dem Hohlraum la über Leitungen erfolgt, die derart gebildet sind, daß die Fluiddruckverluste
so weit wie möglich, insbesondere durch tangentialen Anschluß an die Wandung des Hohlraums la, vermindert
werden.
Bei dem in den F i g. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die kalibrierten öffnungen 10 bis 12
durch kreisförmige öffnungen der Düsen 10a, 11a bzw.
12a gebildet, deren Achsen im wesentlichen parallel zur to Achse des Werkzeugs sind.
F i g. 4 zeigt, von oben gesehen, eine Ausführungsvariante
der Saugeinrichtungen, die hier durch wenigstens eine Gruppe benachbarter Düsen 12ai, 12a2, 12a3 oder
allgemeiner durch Saugeinrichtungen gebildet sind, die über einen breiten Winkelbereich verteilt sind, wobei
benachbarte Düsen einer Gruppe gegebenenfalls durch eine Düse geraden länglichen Querschnitts ersetzt sein
können, der selbst einen breiten Winkeisektor überdeckt
Drei Düsen sind dargestellt. Dies soll aber keine Beschränkung bedeuten.
Selbstverständlich sind die Düsen auswechselbar befestigt und werden vom Benutzer als Funktion von
Durchsatz und Druck des Bewässerungsfluids gewählt.
Modifikationen sind im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich. So können beispielsweise wie F i g. 5
zeigt die Bewässerungsdüsen wie 10a von einem Verlängerungsstück 13 getragen werden, das am Werkzeuggehäuse
durch irgend ein bekanntes Mittel, beispielsweise ein Gewinde 14, befestigt ist, wobei das Verlängerungsstück
auswechselbar ist und es ermöglicht, die Höhe h in Grenzen des oben definierten Intervalls die vom Benutzer
gewünschte Höhe als Funktion der Natur der geologischen zu bohrenden Formationen einzustellen.
Es ist auch möglich, oberhalb des Saugstrahls ein Organ anzuordnen, welches so ausgebildet ist, daß es das
Ansteigen des mit Bohrklein beladenen Bohrfluids in den Ringraum beschleunigt, der durch die Bohrkolonne
und die Bohrlochwandungen begrenzt ist
Das das Aufsteigen des Bohrfluids beschleunigende Organ kann ein Venturirohr umfassen, das so mit dem
Saugfluidstrahl einen Hydro-Ejektor bildet.
Nach einer beispielsweise in F i g. 6 dargestellten Ausführungsform ist über dem Bohrwerkzeug unmittelbar
ein Stabiiisatororgan 16 mit mehreren Schneiden angeordnet, die untereinander Räume 15 bilden, die in
direkter Verbindung mit dem Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und der Bohrkolonne stehen. In einem
solchen Fall kann es vorteilhaft sein, ein Venturirohr 18 in einer der Schneiden 21 des Stabilisators 16,
wie Fig.7 zeigt, vorzusehen. Das Organ 16 ist dann durch irgend eine geeignete Einrchtung, beispielsweise
Schrauben 17 in einer Lage derart befestigt, daß das Venturirohr 18 im wesentlichen die gleiche Achse wie
der Saugfluidstrahl 7 aufweist In diesem Fall steht das Venturirohr 18 vorteilhaft mit dem oben definierten
Ringraum über zwei Leitungen in Verbindung, die jeweils in den beiden radialen Wandungen des Blaus 21
über öffnungen 20 münden, die bezüglich der Achse des Werkzeugs geneigt sind und das Zurückfallen des Bohrkleins
infolge Schwerkraft in das Venturirohr verhindern, wenn die Bohrfluidzirkulation unterbrochen ist
Die Neigung der Ränder der öffnungen 20 gegen die
Achse des Venturirohrs 18 liegt vorteilhaft unterhalb 45°.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Gesteinsbohrwerkzeug, mit einem über einen Werkzeugträger in Drehung versetzbaren Gehäuse,
einem Hohlraum im Gehäuse, dem über die Axialbohrung des Werkzeugträgers ein Spülfluid zuführbar
ist, einer Vielzahl von drehbaren, vom Werkzeuggehäuse getragenen Organen mit Angriffselementen
zum Abtragen des Gesteins entlang einer Schneidfront, Spülungseinrichtungen für wenigstens
einen gegen die Schneidfront gerichteten Fluidstrahl,
die wenigstens eine erste kalibrierte Öffnung im Gehäuse des Werkzeugs umfassen, direkt mit
dem Hohlraum im Gehäuse in Verbindung stehen und an einer ersten Stelle zwischen zwei benachbarten
der sich drehenden Organe münden, und mit Einrichtungen zum Ansaugen des abfließenden, mit
Bohrklein angereicherten Spülfluids, die wenigstens einen aufsteigend gerichteten Saugfluidstrahl liefern,
wobei die Saugeinrichtungen wenigstens eine zweite Öffnung im Werkzeuggehäuse oberhalb einer
zweiten Stelle zwischen zwei benachbarten der sich drehenden Organe aufweisen und die erste, gegen
die Schneidfront der sich drehenden Organe gerichtete kalibrierte Öffnung im wesentlichen parallel
zur Werkzeugachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, gegen die
Schneidfront der sich drehenden Organe (5, 6, 7) gerichtete kalibrierte Öffnung (10) in einem Abstand
von der Schneidfront der sich drehenden Organe (5, 6, 7) angeordnet ist, der zwischen V3 H und Vs H
liegt, wobei H die axiale Erstreckung der sich drehenden Organe (5,6,7) parallel zur Werkzeugachse
ist
2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste kalibrierte Öffnung (10)
in einem Abstand von der Schneidfront der sich drehenden Organe (5,6,7) angeordnet ist, der zwischen
0,4//und0,5//beträgt.
3. Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite,
zum Absaugen der angereicherten Spülung vorgesehene Öffnung (12) in einem Abstand von der
Schneidfront der sich drehenden Organe (5, 6, 7) angeordnet ist, der wenigstens gleich 1,4 //ist.
4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Öffnungen
(10,12) mit dem Hohlraum (ta) im Gehäuse (1) über eine Leitung in Verbindung steht, die tangential
an die Wandung dieses Hohlraums (ta) anschließt
5. Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugeinrichtungen
wenigstens eine Gruppe mehrerer kalibrierter, einander benachbarter und über ein großes
Winkelintervall verteilter Öffnungen (12) umfassen.
6. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugeinrichtungen
wenigstens eine Öffnung länglichen Querschnitts aufweisen, der ein großes Winkelintervall
überdeckt.
7. Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Beschleunigungseinrichtungen (18) für das Anheben des Bohrkleins
über diese Saugeinrichtungen.
8. Bohrwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch ge-
kennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtungen für das Anheben des Bohrkleins ein Venturirohr
(18) umfassen.
9. Bohrwerkzeug nach Ansprüche, befestigt an
das untere Ende einer Bohrrohrkolonne mit einem über dem Bohrwerkzeug angeordneten Stabilisator,
der eine Vielzahl von Schenkeln aufweist dadurch gekennzeichnet daß das Venturirohr (18) in einem
der Schenkel (21) des Stabilisators (16) untergebracht ist und Einrichtungen umfaßt mittels der das
Venturirohr (18) unmittelbar rückwärts der zweiten Öffnung (12) anzubringen ist
10. Bohrwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß das Venturirohr (18) in seinem
rückwärtigen Teil zwei Öffnungen (20) aufweist die sich jeweils in den beiden Radialwandungen des einen
der Schenkel (21) des Stabilisators (16) befinden.
11. Bohrwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet
daß die Ränder der Öffnungen (20) des Venturirohrs (18) bezüglich der Achse des Bohrrohrs
eine Neigung von höchstens 45" aufweisen.
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