DE3201996A1

DE3201996A1 - Einrichtung zum vollbohren ohne kernentnahme

Info

Publication number: DE3201996A1
Application number: DE19823201996
Authority: DE
Inventors: Nikolaj K. Apatity Lipatow; Ruben A. Moskva Tatewosjan
Original assignee: PROIZV GEOL OB TSENTR RAIONOV; SEVZAPGEOLOGIA
Current assignee: PROIZV GEOL OB TSENTR RAIONOV; SEVZAPGEOLOGIA
Priority date: 1981-01-28
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1982-09-02
Also published as: GB2091784A; JPS57130691A; JPS5849680B2; DE3201996C2; GB2091784B; FR2498675A1; US4378050A; FR2498675B1

Description

22;. Januar 1982

Ζ r. L L C N T I N 'J.'~K'iS " '"

ZWEIBRÜCKEN8TR. 15

8GQO MÜNCHEN 2 BESCHREIBUNG P 88 288

Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen zum Bohren von Bohrlöchern, genauer Einrichtungen zum Vollbohren ohne Kernentnahme.

Neben weitgehender Anwendung des Vollbohrens bei der Herstellung von Erdöl- und Gassonden sowie von wasserproduzierenden Sonden gelangt das Bohren ohne Kernentnahme zu immer häufigerer Anwendung, wenn Struktur- und Such-

sowie Erkundungsbohrungen in gas- und erdölführenden Gebieten, Bohrarbeiten in über Erzen liegenden Sohichtenfolgen bei detaillierter Erkundung von Lagerstätten mit einer zur Genüge untersuchten und relativ einfachen Struktur, Kartierungs-, Such- und Erkundungsbohrungen in überdeckenden losen Ablagerungen und wenn

Bohrarbeiten im Tafeldeckgestein, das im präkambriechen Tafeldurchgeführt grund ansteht, zur Lager Stättenerkundung/werden,und wenn hydro-

geologlsche, seismische und Sohußbohrlöcher hergestellt werden.

Die weiteste Anwendung beim Vollbohren fanden Zwei-, Drel- und Vierrollenmeißel sowie VIerrollen-Bohrköpfe. Bei der Arbeit in optimalen Bohr zuständen gestatten es diese Meißel, recht hohe mechanische Bohrgeschwindigkeiten zu erreichen.

Beim Vollbohren kooimen genauso wie beim Bohren naoh anderen Verfahren Komplikationen vor, die sich aus der Unsta-

billtät der Gesteine, aus denen die Bohrlochwände be-

und Wasserzuflüssen ergeben
stehen/,sowie insbesondere durch Bohr spülungs ab Sorptionen In

klüftigen und kavernosen Gesteinen sowie in Gesteinen mit hoher Permeabilität verursacht werden. Diese Kompli-

kat ionen setzen, indem sie die optimalen Bohrzustände beeinträchtigen, die Bohrga^achwindigkeit stark herab und bewirken des öfteren einen vollen Bohr arbeit set opp bis zur Behebung, der Störung. Dies führt zur Verringerung der Arbeitsleistung und erheblichen Verteuerung des Bohrlochs, weshalb effektive Methoden zur Bekämpfung der Komplikationen eines der wichtigsten Probleme der Bohrtechnik darstellen·

In den meisten Fallen wird der Bohrprozeß für die Dauer der Störungsbehebung gestoppt; jedoch sind Methoden zur B^örungsbehebung bekannt, die ohne Bohrfortschrittsstopp auskommen. Bei diesen Prozessen wird das Abdichtungematerial den Bohrspülungen in Gestalt von gelförmigen Polymerklumpen zugeführt, die mit einem feindispersen Material gefüllt sind, wobei bei Bedarf auch ein mineralisches Kornmaterial zugegeben wird. Jedoch wird das Abdiohtungsmaterial bei diesen Pro2.^ssen im Bohr spül ungs volumen verdünnt und zirkuliert zusamitan

wobei es auch
mit der Bohrspülung, / an den Oberflächen der Pumpe, der ZuIei-

' sowie
tung, der Gestängerohre / an dew Bohrlochwänden - aber nicht nur dort, wo es erforderlich ist - haftenbleibt, sodaß eine dauerhafte nichtmetallische Befestigung der Bohrlochwande nicht erreicht werden kann.

Die Konstruktion der Bohrwerkzeuge ist dabei eine üMiche, sie schließt einen am Bohrgestänge befestigten Meißel mit einem Kanal für den Durchtritt der Bohrspülung sowie eine über dem Meißel außen am Bohrgestänge angebrachte Zentrier- und Bohrlochwandbildungsvorrichtung ein, die das Absperren des Spaltes zwischen den Bohrlochwänden und dem Bohrgestänge gewährleistet»

Diese konstruktive Ausführung erlaubt es nicht, die Ar-

be It en zux Behebung von Störungen bzw. zur futterrohrfreien Befestigung des Bohrlochs ohne BohrfortsehrIttsstopp unter

fortschreitender

gleichzeitig / HIederbringung des Bohrlochs durchzuführen.

Dies hängt damit zusammen, daß das Abdichtungsmaterial zur gewünschten Anbringungsstelle an den Bohrlochwänden im verdünnten, schwach konzentrierten Zustand zugeführt wird, weil seine Verdünnung durch die Notwendigkeit des Durchpumpens durch den gesamten Bohrstrang bedingt ist. Dies macht es ferner erforderlich, Abdichtungsmaterialien mit längeren Erstarrungszeiten anzuwenden, wodurch das Abdichtungsmaterial keine

ausreichende Festigkeit in der betriebswiohtigsten bohr-1 ochsohlennahen Zone gewinnen kann.

Bin weiterer bedeutender Nachteil besteht darin, daß, während dem Bohrloch ein inerter Füllstoff zugeführt wird, das abgebohrte Gestein, das eine maximale physikallsoh-chemische Gemeinsamkeit mit den Gesteinen besitzt, aus denen die Bohrlochwände bestehen, weil es ein Produkt der Zerkleinerung derselben darstellt, aus dem Bohrloch ausgetragen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Vollbohren zu sohaffen, deren Konstruktion es ermöglicht, Arbeiten zur futterrohrfreien Befestigung von Bohrlochwändensowie zur Behebung von Störungen ohne Bohrfortschrittsstopp durchzuführen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß in der Einrichtung zum Vollbohren, die einen am Bohrgestange befestigten Meißel mit einem Kanal für den Durchtritt der Bohrspülung zur Bohrlochsohle sowie eine über dem Meißel angeordnete Bohrlochwandbildungavorriohtung einschließt, die das

W-": \ Ί :"Vy 3201936

Absperren, des Spaltes zwischen den Bohrlochwand en und dem Bohrgestänge gewährleistet, erfindungsgemäß Im Innenraum des Bohrgestänges unmittelbar über dem Meißel ein Behälter mit einem Abdiohtungsmaterial angeordnet ist, der zum Duxorleiten der Bohrspülung zwischen den Behält erwanden und den Oestangerohrwänden sowie zum unter der Einwirkung eines Veidrängungsmittels erfolgenden Zuführen des Abdichtungsmaterials zum Meißel vorgerichtet ist, in dem eine axiale Bohrung mit einem Durohmesser ausgeführt 1st, der den Innendurchmesser des Behälters übersteigt, wobei diese Bohrung zur Aufnahme öea unteren Endes des Behälters dient»

Vorzugsweise ist der Behälter auswechselbar ausgef&jrt,

um die Austausohmöglichkelt desselben ohne Hochfahren des Bohrgestänges zu gewährleisten.

Um das vom Bohrmeißel abgebohrte Gestein als Füllstoff zu

verwerten, kann der Behälter mit einem Abd iohtungsmat er ial geschüttfähige

füllt sein, das das / Bindemittel des Abdichtungsgemisches darstellt.

Der Behälter kann in Gestalt eines zylindrischen Sohres

ausgeführt sein, das in seinem unteren ^eIl mit einem ab-

und

nehmbaren Stopfen/ in seinem oberen Teil mit einem Pfropfen versehen ist, der zum Verdrängen des Abdlohtungsmaterials aus dem Behälter dient.

Das obere Ende des Behälters kann mit einem Stutzen versehen sein, der zum Eingriff mit einem Schlauch ausgebildet ist, der zum Transport des Behälters und zum Zuleiten eines Verdrängungsmittels in den Behälter bestimmt ist.

Diese konstruktive Ausführung der

- 7 -Einrichtung zum Vollbohren gewährleistet eine kontinuierliche Bohrloohnlederbringung, eine zuverlässige Behebung einer

eine
Störung bzw. nichtmetallische Befestigung der Bohrlochwände.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung einer konkreten beispielsweisen Ausführung anhand von

Zeichnungen erläutert. Es zeigt: eine
Pig» 1/erfindungsgemäße Einrichtung zum Vollbohren,

im Längsschnitt;
einen

Pig. 2/Schnitt naoh der Linie II-II der Pig.l; eine

Pig. 3/Ausführungsform der autonomen Zuleitung eines Verdrängungsmittels·

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Vollbohren ist eine Modifikation einer bekannt en Bohrausrüstung und setzt keinerlei prinzipielle Änderungen voraus; so kann beispielsweise als Me iesei ein beliebiges gesteinszerstörendes Werkzeug verwendet werden, das beim Rotary- bzw. beim schlagenden Rot arybohren zur Anwendung kommt.

Die Einrichtung zum Vollbohren enthält einen Hollenmeißel I₁ der an einem Bohrgestänge 2 (Pig.l)mittels einerBohrlochwandbildungsvorriohtung 3 befestigt ist.

Als Bohrlochwandbildungsvorriohtung 3 kann ein beliebiges Element verwendet werden, das ein zuverlässiges Absperren des Spaltes zwischen den Bohrlochwänden und dem Bohrgestänge gewährleistet, und zwar ein in Gestalt einer Schnecke 4 ausge-

Element

führtea/, bei dem die Spiralenwindungen entgegen der Drehrichtung des Bohrgestänges 2 gerichtet sind.

Im Innern des Bohrgestänges 2 kann ein zylindrischer Behälter 5 mit einem Abdichtungsmaterial 6 angeordnet sein.

Der Behälter 5 kann in Gestalt eines zylindrischen Rohres,

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das oben und unten mit einem Stopfen abgedichtet ist, in üestalt einer hermetisierten Ampulle aus plastisohem Material bzw. in Gestalt eines Stabes aus gepreßtem Abdichtungsmaterial mit einer Oberfläche auegeführt sein, die mittels einer hydro-

abgedichtet

isolierenden Sohioht/(kapsullert / hydro isoliert) ist. Der Behälter kann mit dem Bohrmeißel in einem Stück oder, was omp-

auswechselbar

fehlenswerter ist, / ausgeführt sein, um die Austauschmöglichkeit desselben ohne Herausziehen des Bohrmeißels aus dem Bohrloch zu gewährleisten.

Das Abdichtungsmaterial 6 kann ein trockenes rasch abbindendes üemisoh, beispielsweise ein Gips-Zement-Gemiscn, ein pastenartiges Gemisch aus verschiedenen polymeren Materialien mit Härtemitteln, einen pulverförmi«en Zement-, Polymerie*- tions-, Lehmstoff u.a. darstellen, die meist als Bindemittel zur Anwendung gelangen.

entfernbaren

Das untere Ende des Behälters 5 ist mit einem (/auswechselbaren) Stopfen 7 abgedichtet und wirkt mit einer zentralen Bohrung 8 zusammen, die im Rollenmeißel 1 ausgeführt ist;

ist das obere Ende des Behälters 5/mit einem Kropfθσ. 9

mit einer Eintrittsbohrung 10 und einer Austrittsbohrung 11

versehen. Im Behälter 5 ist eine zur Bohrung 10 gleichachsig liegende Bohrung 12 zum Durchtritt der Bohrspüllung in den Hohlraum zwischen dem Behälter 5 und den Innenwänden des Bohrgestänges 2 ausgeführt, an denen Feststeller 13/14 zum Leiten und Zentrieren des Behälters 5 vorgesehen sin«?. Hierbei kann der obere Feststeller als ein kontinuierlicher Hing 14 mit einer zentralen Bohrung, deren Durchmesser dem AuISendurohmesser des Behälters 5 gleich ist, die übrigen aber in Gestalt einzelner Vorsprünge ausgeführt sein. Der Körper des

Bollenmeißels 1 weist einen Kanal 15 zum Austritt der Bohrspülung auf die Bohrlochsohle auf, wenn die Bohrung 8 des Meißels 1 vom Behälter 5 zugedeckt ist. Im oberen Teil des Behälters 5 ist eine Vertiefung 16 zur Zusammenwirkung mit dem Endstück eines Fängers 17 vorgesehen. Zum Auslösen der Verdrängung des Abdichtungsmaterials 6 aus dem Behälter 5 wird in den Innenraum des Bohrgestänges eine Kugel 18 eingeworfen, die die Bohrung IO im Pfropfen 9 abschließt.

Denkbar ist auch eine andere, in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform, wo der Pfropfen 9 in Gestalt eines zylindrischen Kolbenstopfens ausgeführt und über ihm eine Vorrichtung 19 zum .Erfassen und Hermetisieren eines Bndstücks 20 eines Kabelschläuche 21 angeordnet ist, der zum Transport des Behälters 5 dient und durch den das herauspressende Medium zugeführt wird.

nicht

Die erwähnten konstruktiven Lösungen schöpfen/alle möglichen Ausführungsformen der erfindunRsgemäßen Einrichtung aus. In der Praxis kann sie auch in Gestalt eines endlichen Teils eines üblichen Bohrgestänges ausgeführt sein, wobei der Austausch des Behälters 5 mit dem Abdichtungsmaterial 6 nur beim Ausbau des gesamten Bohrgestänges aus dem Bohrloch möglich ist.

Jedoch betreffen alle diese Varianten nicht die hauptsächlichen konstruktiven Merkmale der erfindungsgemäßen Einrichtung, sondern sie beziehen sich vorwiegend auf die Durchführungsmethoden der Bohrarbeiten mittels dieser Einrichtung und manche konstruktive Änderungen zweitrangiger Teile.

eine Tritt eine Komplikation, beispielsweise/Wasserabsorption

bzw./Bohrspülungsverlust, auf, wird in den Innenraum des Bohr-

gestänges eine Stahlkugel 18 eingeworfen, die, indem sie in daa Ende dea Pfropfens 9 gelangt, die Bohrung IO abschließt, wodurch der Durchtritt der Bohrspülung in den Rohrzwischsraraum abgesperrt wird. Hierbei nimmt der Eohrspülungsdrucb im Innern des Bohrgestänges über dem Pfropfen 9 stark zu, wolei dieser Druck die den Pfropfen 9 fixierenden Stifte abschert und, indem er den Pfropfen im Behälter 5 naoh unten drückt, den Stopfen 7 herauspreßt, so daß der Weg des Abdichtungsma-

dem terials zum Meißel 1 freigegeben wird. Nach/Herauspressen des

Stopfens 7 und eines Teils des Abdichtungsmaterials 6 öf/net der Pfropfen 9, indem er im Behälter 5 nach unten wandert, cie

ein

Bohrung 12 in den Wänden des Behälters 5, wodurch normaler Zugang der Bohrspülung zum Bohrmeißel 1 genährleistet wird. Das von den Rollen des Meißels 1 geriebene und gemahlene Abdiohtungsmaterial 6 konzentriert sioh, indem es sich mit dem abge'johrten Gestein und mit der Bohrspülung unter der Einwirkung der Windungen der Spirale 4 der Bohrloohwandbildungsvorrichcung 3 vermischt, im unteren Teil des Bohrlochs an der Bohrlochsohle und wird an die ßohrlochwände befördert. Hierbei pressen die Fliehkräfte und der vom Bohrgerät ausgeübte Druck überflüssiges Wasser aus der entstandenen Masse heraus. Die dicke, zähe Masse des Abdlohtungsmaterials 6, das mit d<m abgebohrten Gestein.gefüllt ist, wird in die Poren und Risra der Gesteine hineingepreßt, aus denen die Bohrlochwände bestehen, wird verdichtet und fängt an zu erstarren.

Das weitere Glattreiben des Abdichtungsmaterials 6 und Kalibrieren des Bohrloohs führt ein Glattreibeletnent 22 aus, das die Masse zusätzlich verdichtet, ihr Wasser entzieht und überflüssige Stellen abschert.

Nach der Verarbeitung des gesamten Abdiohtungsmaterials 6 wird von der Oberfläche am Kabel ein Fänger 17 herabgelassen, der über seine Bndstücke mit einer Aussparung 16 zum Eingriff kommt, der Behälter 5 herausgezogen und durch einen neuen ausgetauscht·

ist
wenn es erforderlich/, wird der Abdiohtungsvorgang bis zur

vollständigen Beseitigung der aufgetretenen Komplikation wiederholt.

Bequemer ist die Verwendung einer Einrichtung mit einer Vorrichtung 19 gemäß Fig. 2 zum Erfassen und Hermetisieren des Endstücks 20 des Kabelsohlauohs 21, durch den das Herauspressen des Abdichtungsmaterials 6 mittels eines Verdrängungsmittels (Flüssigkeit bzw. Gas) erfolgt und der gleichzeitig

zum

als Transportmittel zur Förderung und Herausziehen des Behälters 5 dient.

Offensiohtlicherweise ist der Austausch der Behälter 5 ummittelbar an der Bohrlochsohle, wie dies in den angeführten Beispielen beschrieben ist, möglich, wenn es die Konstruk-

die
tion und j Durchgangsquerschnitte der Slemente des Bohrgestänges

' dieser Austausch dann

1 erlauben. Daher ist / zweckmäßig, wenn Bohrlöcher großen Durchmessers, beispielsweise über 112 mm, gebohrt werden sollen. Bei Bohrlöchern geringeren Durchmessers ist der Austausch der Behälter 5 an der Oberfläche und, soweit dies möglich ist, gleichzeitig mit dem Austausoh des Endstücks des

dann Meißels 1 zweckmäßig, daher muß der Behälter 5/eine solche Menge an Abdichtungsmaterial 6 enthalten, die für ein Bohrlochintervall ausreicht, das von einem Bohrmeißel abgearbeitet wird. Dies reduziert Zeitverluste für Ein- und Ausbauarbeiten.

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Bei der Anwendung der erf indungsge.näßen Einrichtung zur nichtmetallischen Befestigung der Bohrlochwände durch Bilden einer Isolierschicht an der gesamten Bohrlochoberfläche wird das Herauspressen des Abdichtungsiaaterials 6 kontinuierlich und parallel zum Bohrfortschritt vorgenommen. Sobald das Abdichtungsmaterial verbraucht worden ist, hört iaan mit dem Boliren auf, tauscht den Behälter 5 aus und nimmt das Bohren bis zur Erzielung der gewünschten Tiefe wieder auf.

eine
Hierbei erfolgt/intensive Vermischung des abgebohrten Ge-

steins mit dem Abdichtungsaaterial, wobei das Gestein als inertem Füllstoff im Abdichtungsmaterial dient und dank den gemeinsamen Eigenschaften mit den Gesteinen, aus denen die Bohrlochwände bestehen, die Qualität der Isolation erhöht sowie den Verbrauch des zur Bohrlochsohle geförderten Abdichtungsmaterials verringert.

Man muß hervorheben, flaß dadurch, daß ein Teil des abgebohrten Gesteins, das sich mit dem Abdichtungsmaterial rerinischt, welches als Bindemittel dient, im Abdichtungs.iiat^x'.Lal als Füllstoff enthalten ist, eine Einsparung an Abdichtuigsmaterial 6 erreicht wird, ferner wird dadurch die Qualität der Abdichtung der Absorptionskanäle bzw. der Befestigung der Bohrlochwände erhöht, weil die Identität des Füllstoffs mit den Gesteinen, aus denen die Bohrlochwände bestehen, na^h Zusammensetzung und Charakter deren monolithischere Haftung untereinander gewährleistet.

Die Erfindung kann bei der Beseitigung von Komplikationen beim Vollbohren, bei der nichtmetallischen Befestigung von Bohrlochwänden/die parallel zum Bohren vorgenommen wird, bei der Herstellung von Brunnen und Kammern, bei der Verbreiterung und Reparatur von früher'hergestellten Bohrungen, ^

Durchteufen von unstabilen Bohrloohlntervallen in nichtzementierten Sand en, quellenden und aufweichenden Tonen u.'a verwendet werden.

Leerseite

Claims

Patentanwälte .:...:.- * -" .:. ---:--

ZELLENTIN

ZWEIBRÜCKENSTR. 1β
BOOO MÜNCHEN 2

. Proiswocastwennoe geologitscheskoe ob j edinenie 22. Januar 1982

zentralnydh rajonow "Zentrgeologija"

RZ/Os Moskau / Sowjetunion

2. Sewero-Sapodnoe proiswodstwennoe geologitscheskoe ρ 88 288 objedinenie "Sewsapgeologija"

Leningrad / Sowjetunion

EINRICHTUNG ZUM VOLLBOHREN OHNE KERNENTNAHME PATENT ANSPRÜCHE:

1. Jülnrichtung zum Vollbo.hren, die einen am Bohrgestänge befestigten Meißel mit einem Kanal für den Durchtritt einer. Bohrspülung zur Bohrlochsohle sowie eine über dem Meißel angeordnete Bohrlochwandbildungavorriohtung einschließt, die das Absperren des Spaltes zwisohen den Bohrlochwanden und dem Bohrgestänge gewährleistet, dadurch gekennz e ichnet, daß im Innenraum eines Bohrgestänges /2/ unmittelbar über dem Meißel /1/ ein Behälter /5/ mit einem AbdiohtoQgsmaterial angeordnet ist, der zum Durchleiten der Bohrspülung zwischen den Wänden des Behälters /5/ und der Gestängerohre /2/ sowie zum unter der Einwirkung eines Verdrängungsmittels erfolgenden Zuführen des Abdichtungsmaterials zum Meißel /1/ vorgerichtet ist, in dem eine axiale Bohrung /8/ mit einem Durohmesser ausgeführt ist, der den Innendurchmesser

/8/ des Behälters /5/ übersteigt, wobei diese Bohrung zur Aufnahme

des unteren iSndes des Behälters /5/ dient.

2. .Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e- kennae lehnet, daß der Behälter /5/ ohne Hochfahren des Bohrgestänges austauschbar angeordnet ist.

J. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch, gekennze lohnet, daß das Abdichtungsmaterial .Im Behälter /5/ ein schüttfähiges Bindemittel ist.

4. Einrichtung nach Anspruoh 2, da durch gekennae i chnet, daß der Behälter /5/ in Gestalt eines zylindrlachen Rohres ausgeführt ist, das in seinem unteren

und Teil mit einem abnehmbaren Stopfen /7/ in seinem oberer Teil

mit einem Pfropfen /9/ versehen ist, der zum Verdroigen des Abdiohtungsmaterials aus dem Behälter /5/ dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Behälters /5/ mit einem Stutzen /19/ versehen ist, der zum Eingriff mit einem zum Transport des Behälters /5/ und zum Zuleiten des Verdrängungsmittels in den Behälter /5/ dienenden Schlauch /21/ ausgebildet ist.