DE2933678C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umkehrvorrichtung für die Zirkulations­ richtung eines Benetzungsfluids bzw. Irrigationsfluids auf dem Niveau eines Bohrwerkzeugs, wie beispielsweise jedoch nicht aus­ schließlich eines Bohrwerkzeugs, das einen Unterdruck auf dem Niveau der Schneidfront beim Bohren von Böden erzeugt.

Eine solche Vorrichtung, die in der FR-PS 15 67 862 beschrie­ ben ist, umfaßt einen Werkzeugkörper, wenigstens einen Boden­ angriffsbereich, der durch diesen Werkzeugkörper getragen ist und der eine Schneidfront begrenzt sowie Einrichtungen, um in der Zone des Vorrichtungskörpers einen Unterdruck bezüglich Drucks zu erzeugen, der auf dem Niveau des Angriffsbereichs herrscht. Letzterer ist mit der Unterdruckzone über wenig­ stens einen Kanal zum Heben des Bohrkleins verbunden, während ein Bohrfluidabzugskanal, der die Unterdruckzone durchsetzt, in den Ringraum zwischen Bohrkolonne und Wandung des gebohrten Loches über wenigstens eine außerhalb dieses Angriffsbereichs befindliche Öffnung mündet, wobei der Bohrfluiddurchsatz zwi­ schen der Öffnung dieses Abzugskanals und dem Angriffsbereich begrenzt ist.

Auf diese Weise erhält man bei Normalbetrieb eine Zentripetal­ benetzung bzw. "Bewässerung" der Schneidfront, d. h. welche von der Wandung gegen die Mitte des Bohrlochs gerichtet ist.

Die Erfindung zeigt jedoch, daß es manchmal notwendig ist, momentan eine Zentrifugalbewässerung der Schneidfront zu er­ halten, d. h. eine solche, die von der Mitte gegen die Bohr­ lochwandung gerichtet ist. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn die Bohrung eine Schicht durchsetzt, die ein Fluid wie einen Kohlenwasserstoff enthält, und zwar bei einem Druck, der höher als der gegen die Schneidfront herrschende ist, oder auch, wenn man einen Verlust an Benetzungsfluid, das in die geologischen Formationen eindringt, feststellt.

Bekannt sind Einrichtungen, wie beispielsweise in der US-PS 28 05 043 und der FR-PS 20 71 262 beschrieben, bei denen die Verschiebung eines beweglichen Bauteils in der Wandung der Bohrkolonne eingearbeitete Öffnungen freilegt, über die das Bohrfluid teilweise oder insgesamt abgeleitet wird. Diese Einrichtungen vermindern oder unterbinden die "Bewässerung" des Werkzeugs, sie erlauben jedoch nicht eine Umkehr der Strömungsrichtung des Bohrfluids auf dem Niveau des Werkzeugs.

Einrichtungen zur Umkehr der Zirkulationsrichtung des Bohr­ fluids sind an sich bekannt. Eine Ausführungsform für solche Einrichtungen ist in Fig. 3 des Zusatzes 20 92 646 zur FR-PS 15 67 862 beschrieben. Diese Einrichtungen verwenden im allgemeinen ein Verschlußelement wie beispielsweise eine Kugel, die in die Bohrkolonne eingeführt ist, um eine erste Öffnung zu verschließen und unter der Wirkung des Bohrfluids die Verschiebung eines beweglichen Bauteils hervorzurufen, das eine zweite Öffnung freilegt, über die das Bohrfluid zirkuliert, um das Werkzeug in umgekehrter Strömungsrichtung zu "bewässern".

Will man die ursprüngliche Zirkulation des Bohrfluids wieder herstellen, so muß man dieses Verschlußelement zurückziehen, indem man ein geeignetes Fangwerkzeug verwendet oder indem man die Bohrvorrichtung wieder an die Oberfläche bringt. Die­ se Vorgänge sind jedoch, um sie zu verwirklichen, sehr lang­ wierig.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art soll erfindungsgemäß erreicht werden, daß die Zirkulations­ richtung des Bohrfluids schnell verändert werden kann und daß man alternativ von einer Zentrifugalirrigation ("Be­ wässerung") auf eine Zentripetalirrigation ("Bewässerung") und umgekehrt immer dann übergehen kann, wenn sich dies während des Bohrens als notwendig erweist.

Erreicht wird dies überraschend dadurch, daß das Verteiler­ organ für das unter Druck stehende Fluid unter der Wirkung der Zirkulation des Druckfluids verschiebbar und so ausge­ bildet ist, daß es von einer in die andere Stellung durch eine Wechselfolge von Inzirkulationsetzen und Unterbrechen der Zirkulation des Bohrfluids ausgebildet ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1A bis 1D im Schnitt eine Ausführungsform der Vorrich­ tung, wie sie in einer Bodenbohrvorrichtung verwendet wird;

Fig. 2 das Profil des Mechanismus, der die Axial­ verschiebungen des röhrenförmigen Elements begrenzt; und

Fig. 3A bis 3J die Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Fig. 1A bis 1D zeigen schematisch im Vertikalschnitt aufeinanderfolgende Abschnitte der Vorrichtung nach der Er­ findung, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist. In ihrem oberen Teil (Fig. 1A) ist die Vorrichtung 1 am freien Ende einer Bohrkolonne 2 über irgend eine bekannte Einrichtung, bei­ spielsweise ein Gewinde 3 befestigt. Am unteren Teil (Fig. 1D) ist die Umkehreinrichtung durch ein Organ an sich bekannter Art 4 verlängert, das in der Lage ist, einen Unterdruck in Höhe der Schneidfront beim Bohren von Böden zu erzeugen und dabei wie oben angegeben arbeitet. Am unteren Ende des Organs 4 ist ein Bohrwerkzeug 5 mit einem mittigen Kanal 6 befestigt.

Das keinen Teil der Erfindung bildende Werkzeug ist nicht dargestellt. Nur der obere Teil, der über ein Gewinde an das Organ 4 angeschlossen wird, ist in Fig. 1D sichtbar.

Das keinen Teil der Erfindung bildende Teil 4 ist schemati­ siert; dieses Organ 4 ist jedoch aus so vielen Bauteilen, wie zu seiner Realisierung notwendig, zusammengesetzt.

Zusammengefaßt: dieses Organ 4 umfaßt einen mittigen Kanal 7 von Venturibauart, der direkt mit der mittigen Bohrung 6 des Werkzeugs in Verbindung steht. Am Eintritt des Venturi­ rohrs erzeugt eine Düse 8 einen Fluidstrahl, der in einer Richtung entgegengesetzt zur Fortschrittsrichtung des Bohr­ werkzeugs gerichtet ist. Das Zusammenwirken von Venturirohr 7 und Düse 8 erzeugt einen Unterdruck, der über den Kanal 6 gegen die Schneidfront des Bohrwerkzeugs übertragen wird, die mit Bohrfluid über den Ringraum gespeist ist, der zwischen dem Organ 4 und der Wandung des Bohrlochs begrenzt ist. Im oberen Teil des Organs 4 läßt ein Separator 9 den mittleren Teil der aus dem Venturirohr 7 austretenden Fluid­ strömung passieren. Dieser Strömungsteil wird über einen Kanal 10 (gestrichelt in Fig. 1C) im Kreislauf rückgeführt und "bewässert" von neuem das Werkzeug 5 wie oben angegeben. Der verbleibende Teil des mit Bohrklein beladenen Fluids wird gegen die Oberfläche über einen Kanal 11 abgezogen, der in den Ringraum unter einer gewissen Entfernung oberhalb des Ortes mündet, wo der Kanal 10 mündet.

Die Düse 8 wird mit Fluid über einen Ringraum 12 im Körper des Organs 4 gespeist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt einen röhrenförmigen Körper, der aus Herstellungsgründen aus mehreren Teilen be­ steht. In der Achse des Körpers 13-14 ist eine Stange 15 aufgehängt, die fest mit dem Körper 13-14 über Träger­ arme 16 verbunden ist. In der Bohrung des Körpers 13-14 ver­ schiebt sich ein Kolben 17, der mit Dichtungsringen 18 versehen ist und eine mittige Bohrung aufweist, die dicht von der Stange 15 durchsetzt ist. Der Kolben 17 ist über ein röhrenförmiges Element 19 verlängert, dessen Innen­ durchmesser größer als der Durchmesser der Stange 15 ist und dessen Außendurchmesser über einen Teil der Bohrung des Körpers 13 einen Ringraum 20 begrenzt.

Die Innenbohrung des röhrenförmigen Elementes 19 hat einen Teil 21 verminderten Durchmessers, während der freie Teil der Stange 15 ein Verschlußglied 22 für diesen Teil 21 trägt. Das Verschlußglied besteht beispielsweise aus einem zylindrischen Teil, das in den Teil 21 eindringt. So bildet letzteres sowie das Verschlußglied 22 Verschlußeinrichtungen für die Innenbohrung des röhrenförmigen Elementes 19. Ober­ halb der Verschlußeinrichtung ist das röhrenförmige Element 19 mit wenigstens einer Öffnung 23 ausgestattet, während ein Ringhohlraum 24 im Körper 14 vorgesehen ist und direkt mit wenigstens einer Leitung 25 in Verbindung steht, die in ihrem unteren Teil in den Ringraum 12 mündet. Das röhren­ förmige Element 19 ist drehfest mit dem Körper 14, beispiels­ weise über eine Anordnung bestehend aus Nuten 26 und Keil 27 (clavette), von denen die eine durch das röhrenförmige Element 19, das andere durch den Körper 14 oder auch durch eine Vielfalt von Riffelungen getragen ist.

Der Kopf des Kolbens 17 wird von wenigstens einer kalibrierten Leitung 28 durchsetzt, die die Innenbohrung des Körpers 13 mit der des röhrenförmigen Elements 19 in Verbindung setzt.

Im Ringraum 20 ist ein Mechanismus angeordnet, der die Axial­ verschiebungen des röhrenförmigen Elements 19 bezüglich des Körpers 13-14 begrenzt. Auch ist eine Druckfeder 29 vor­ gesehen, die sich gegen den Kolben 17 einerseits und gegen eine fest mit dem Körper 13 verbundene Schulter 30 anderer­ seits abstützt.

Der die Axialverschiebungen des röhrenförmigen Elementes 19 begrenzende Mechanismus umfaßt einen Führungsfinger 33, der durch das röhrenförmige Element 19 getragen ist, sowie zwei Profil(ring)scheiben 31 und 32, die je eine bezüglich des Körpers 14 axialfeste Stellung umfassen, wobei sie mit diesen nicht drehfest verbunden sind. Diese (Ring)scheiben sind unter­ einander fest, beispielsweise über eine Muffe 34, verbunden, auf der sie in an sich bekannter Weise befestigt sind.

Fig. 2 zeigt das Profil dieser (Ring)scheiben. Die obere Scheibe 31 hat ein Sägezahnprofil, wobei eine Flanke parallel zur Achse des Ringes, die andere geneigt ist. Die Zähne 35 sind von gleicher Höhe und in gerader Zahl angeordnet. Obwohl nur vier Zähne dargestellt sind, ist die­ se Zahl nicht begrenzend.

Die untere Scheibe 32 hat die gleiche Anzahl identischer Zähne 36; diese sind jedoch zu Gruppen von zwei durch Nuten 37 gleicher Höhe, die parallel zur Achse der Scheiben ver­ laufen, getrennt. Die geneigten Flanken der Zähne 36 stehen den Schrägflanken der Zähne 35 gegenüber.

Die Zähne der beiden Scheiben sind versetzt, die Profile der Zähne wirken zusammen und bilden eine Nocke oder Führungs­ bahn, derart, daß der Führungsfinger 33 sich im freibelassenen Raum verschieben kann.

Wird die in den Figuren dargestellte Vorrichtung nach der Erfindung verwendet, so ist der Separator 9 des Organs 4 fest mit dem freien Ende des röhrenförmigen Elements 19 verbunden, welches ebenfalls eine Öffnung 38 trägt, deren Sinn in der folgenden Erläuterung der Gesamtanordnung deut­ lich wird.

Wird die Zirkulation des Bohrfluids unterbunden, so hält die Feder 29 den Kolben 17 in der gestrichelt in Fig. 1A gezeigten Stellung. Korrelativ befindet sich der Führungs­ finger 33 in der in Fig. 3A oben gezeigten Stellung, gehal­ ten zwischen zwei Fingern der Scheibe 31. Die Anordnung wird dann mit Bohrfluid unter Druck gespeist, welches entsprechend den Pfeilen F₁ (Fig. 1A) zirkuliert. Der durch den kali­ brierten Kanal 28 erzeugte Druckverlust stellt sich als Druckdifferenz Δ P zu beiden Seiten des Kolbenkopfes dar, der sich axial nach unten in Fig. 1A gegen die Wirkung der Feder 29 verschiebt. Der Führungsfinger 33 erreicht zunächst die in Fig. 3B gezeigte Stellung, wo er in Kontakt mit der geneigten Flanke des Zahns der Scheibe 32 kommt. Bei Fort­ setzen seiner Axialverschiebung sorgt der Finger 33 für eine Drehung R ₁ der beiden Scheiben 31 und 32, und der Führungsfinger erreicht seine in Fig. 3C gezeigte Stellung. Während seiner Verschiebung hat der Kolben 17 das röhren­ förmige Element 19 derart mitgenommen, daß die Öffnung 23 den Ringraum 24 freigelegt hat, während der Teil 21 sich in Höhe des Verschlußglieds 22 setzt und die Öffnung 38 den Kanal 10 (Fig. 1C) freilegt. Die Vorrichtung befindet sich dann in ihrer in durchgezogenen Linien in den Fig. 1A bis 1D gezeigten Stellung. Das Bohrfluid zirkuliert, wie angegeben, entsprechend den Pfeilen F ₁ und F ₂ durch den kalibrierten Kanal 28, in die Bohrung des röhren­ förmigen Elementes 19, dann durch die Öffnung 23, den Ringraum 24 und in den Kanal 25, der dann das Organ 4 über den Ringraum 12 speist. Der aus der Düse 8 aus­ tretende Strahl erzeugt einen Unterdruck im mittigen Kanal 6 des Werkzeugs und sorgt so für das Nachobengehen des mit Bohrklein beladenen Fluids durch diesen Kanal. Der Teil des mit Bohrklein beladenen Bohrfluids, welches das Venturirohr durchströmt, geht gegen die Oberfläche nach oben und nimmt den Weg über den Kanal 11 (Fig. 1C) während das "Bewässerungs"- fluid des Werkzeugs den Separator 9 und dann die Öffnung 38 sowie den Kanal 10 durchströmt, bevor es für die Zentripetal­ benetzung des Werkzeugs sorgt. An der Oberfläche hat der Druck in der Bohrkolonne dann einen ersten Wert P ₁.

Will man den Strömungssinn des Bohrfluids in Höhe des Werk­ zeugs umkehren, so arbeitet man wie folgt. Man unterbricht die Bohrfluidspeisung; der Kolben 17, der dann nur noch der Wirkung der Feder ausgesetzt ist, geht axial nach oben.

Während dieser Axialverschiebung erreicht der Führungs­ finger zunächst die geneigte Flanke eines Zahns der Schei­ be 31 (Fig. 3D). Bei Fortsetzen der Verschiebung sorgt er für eine Drehung R ₂ der Scheiben 31 und 32. Der Führungs­ finger 33 erreicht dann seine obere Grenzstellung (Fig. 3E) und der Kolben 17 befindet sich von neuem in seiner Aus­ gangsstellung. Durch Wiederherstellung der Bohrfluidspeisung wird der Kolben in der Figur von neuem nach unten bewegt. Der Führungsfinger erreicht die Stellung 3 F und veranlaßt eine Drehung R ₃ der Scheiben 31 und 32 (Fig. 3G), bevor er in den Boden der Nut 37 (Fig. 3H) eindringt.

In dieser Stellung maskiert das röhrenförmige Element 19 den Ringraum 24 sowie die Eintrittsöffnungen der Kanäle 10 und 11 völlig (strichpunktiert in Fig. 1C angedeutet). Gleichzeitig befindet sich der verengte Bohrungsteil 21 in der strichpunktiert in Fig. 1B gezeigten Stellung, derart, daß das Schlußorgan 22 völlig von diesem Teil 21 gelöst ist.

Nach Durchströmen des kalibrierten Kanals 28 zirkuliert das Bohrfluid im röhrenförmigen Element 19 wie durch den strich­ punktierten Pfeil F ₃ angegeben und speist den zentralen Kanal 5 des Werkzeugs direkt über dem Kanal 7 des Organs 4 und erzeugt so eine Zentrifugal"bewässerung" des Werkzeugs. Das mit Bohrklein beladene Fluid steigt wieder an die Ober­ fläche über den durch die Wandung des Bohrlochs und die Bohrkolonne begrenzten Ringraum. Unter Arbeitsbedingungen hat der Druck in der Bohrkolonne einen zweiten Wert P ₂, der sich vom ersten Wert P ₁ unterscheidet.

Wird die Bohrfluidzirkulation von neuem unterbunden, so geht der Kolben 17 unter der Wirkung der Feder 29 nach oben; der Führungsfinger 33 erreicht zunächst die in Fig. 3I dar­ gestellte Stellung, bevor eine neue Drehung der Scheibe 33 und 34 (Fig. 3J) eintritt.

Die Vorrichtung befindet sich dann erneut in Ausgangsstellung, aus der durch eine Aufeinanderfolge von Bohrfluidspeisungen un­ ter Druck, gefolgt von einer Unterbrechung der Speisung die Zirkulationsrichtung des Bohrfluids in Höhe des Werkzeugs um­ gekehrt werden kann. So bilden der Kolben 17, das röhrenförmige Element 19 sowie die Verschlußorgane 21-22 ein Verteilerorgan, das in der mittigen Bohrung des Körpers der Vorrichtung unter der Wirkung der Druckfluidzirkulation verschiebbar ist und eine erste Stellung aufweist, in der das Fluid ausschließlich über die mittige Bohrung abgezogen wird, um eine erste Art der Werkzeugspeisung sicherzustellen und hat eine zweite Stellung, in der das Fluid ausschließlich über den Kanal 25 abgezogen wird, um eine zweite Art der Werkzeugspeisung sicherzustellen, wobei dieses Verteilerorgan in der Lage ist, abwechselnd von der einen in die andere Stellung durch eine wechselnde Folge von Zirkulationen und Unterbrechungen der Zirkulation des Fluids überzugehen.

Vorstehend wurde die Vorrichtung beschrieben in Zuordnung zu einem einen Unterdruck erzeugenden Organ 4. So kann man auch die Vorrichtung nach der Erfindung verwenden, um direkt den mittigen Kanal eines üblichen Bohrwerkzeugs über die Bohrung des röhrenförmigen Elementes zu speisen und eine Zentrifugal"bewässerung" der Schneidfront zu erhalten oder das Werkzeug über den dieses Werkzeug umgebenden Ringraum zu speisen, indem man den Kanal 25 an der Außenfläche des Körpers 14 derart münden läßt, daß der Kanal mit dem be­ grenzten Ringraum zwischen Bohrkolonne und Bohrlochwandung in Verbindung steht.

Andere Modifikationen können im Rahmen der Erfindung vor­ genommen werden, so können die den Weg oder die Nockenführungs­ bahn des Fingers 33 begrenzenden (Ring)scheiben beispiels­ weise unbeweglich bezüglich des Gehäuses der Vorrichtung sein, wobei der Führungsfinger dann das röhrenförmige Element 19 in Drehung versetzt. Die Einrichtungen zum Verschließen der Boh­ rung des röhrenförmigen Elementes können ebenfalls aus einer Klappe und einem Klappensitz bestehen, wobei das erstere fest bezüglich der Stange 15, das zweite bezüglich des Elementes 19 ausgebildet ist.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Umkehren der Zirkulationsrichtung eines unter Druck stehenden Fluids, welches über eine Bohrkolonne ein Bohrwerk­ zeug speist, mit einem Gehäuse zwischen Bohrkolonne und Werkzeug, einer mittigen Bohrung in diesem Gehäuse, deren erstes Ende direkt mit der Bohrkolonne in Verbindung steht, einem in dem Gehäuse be­ lassenen, in die mittige Bohrung mündenden Kanal, einem Verteiler­ organ in dieser mittigen Bohrung, wobei das Verteilerorgan eine erste Stellung aufweist, in der das Fluid unter Druck ausschließ­ lich über das zweite Ende der mittigen Bohrung abgezogen wird, um eine erste Speiseart des Werkzeugs sicherzustellen und eine zweite Stellung hat, in der das Fluid unter Druck ausschließlich über die­ sen Kanal abgezogen wird und eine zweite Speiseart für das Werk­ zeug sicherstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerorgan (17) unter der Wirkung der Zirkulation des Druck­ fluids verschiebbar ist und von der einen in die andere Stellung aufgrund einer Wechselfolge von Zirkulationen und Unterbrechungen der Fluidzirkulation übergeht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verteilerorgan (17) einen dicht in der zentralen Bohrung (6) gleitenden Kolbenkopf (17) aufweist, wobei der Kolben (17) mit dem Gehäuse (13) über elastische Einrichtungen (18) verbunden ist und ein röhrenförmiges Element (19) den Kolben (17) auf der Seite, wo das Gehäuse (4, 13, 14) mit dem Werkzeug (5) verbunden ist, verlängert, daß ein kalibrierter Kanal (28 ) im Kolbenkopf (17) die mittige Bohrung (6) mit der Innenbohrung des röhrenförmigen Elementes (19) in Verbindung setzt und eine Öff­ nung (24) in der Wandung des röhrenförmigen Elementes (19) ausgespart ist, wobei ein Verschlußorgan (22) für das freie Ende des röhren­ förmigen Elementes (19) sowie ein die Axialverschiebungen des röhrenförmigen Elementes (19) begrenzenden Mechanismus (31, 32, 33, 34) derart angeordnet sind, daß in einer ersten Stellung die Öffnung (24) mit dem Kanal (28) in Verbindung steht, während dieses Verschluß­ organ (22) völlig das freie Ende dieses röhrenförmigen Elementes (14) verschließt und daß in einer zweiten Stellung dieses Verschluß­ organ (22) völlig das freie Ende des röhrenförmigen Elementes (14) frei­ gibt, während die Öffnung (24) mit dem Kanal (28) nicht mehr in Ver­ bindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mechanismus (31, 32, 33, 34) einen Führungsfinger (33) sowie eine Nocke aufweist, die zur Begrenzung der Axial­ verschiebungen des Verteilerorgans (22) zusammenwirken, wobei eines dieser Organe fest mit dem Gehäuse, das andere mit dem Verteilerorgan verbunden ist.