DE3403239C1 - Vorrichtungen zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen - Google Patents
Vorrichtungen zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische GesteinsformationenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische
Gesteinsformationen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (EP-A-00 85 444), bei der zum Richtungsbohren das Gehäuse
über den Bohrstrang ausgerichtet und gegen Drehung gehalten wird und bei der zum Geradeausbohren das
Gehäuse mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung versetzt wird, erhalten der Bohrstrang
und das Gehäuse eine durch den exzentrischen Stabilisator hervorgerufene Durchbiegung, die sich
mehr oder weniger gleichmäßig auf den Bohrstrang und das Gehäuse verteilt und Gewindeverbindungen sowie
Lager belastet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art zu schaffen, bei der die Biegebeanspruchungen von biegeempfindlichen Bereichen des Drehbohrwerkzeugs
ferngehalten und die Reibung zwischen der Bohrlochwand und den Stabilisatoren sowie deren
Verschleiß vermindert wird.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe sieht ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 vor, daß das Gehäuse oberhalb des ersten Stabilisators wenigstens eine flexible Sektion umfaßt.
Eine derartige Ausgestaltung konzentriert und beschränkt die Durchbiegung auf die flexible Sektion, so
daß die übrigen Bereiche des Gehäuses einschließlich dessen Anschluß an den Bohrstrang von Biegebeanspruchungen entlastet sind. Die Aufnahme von Biegebeanspruchungen
in einer flexiblen Sektion setzt zugleich die Reibung zwischen der Bohrlochwand und den Stabilisatoren
herab und vermindert so deren Verschleiß.
Eine zweite Lösung nach der Erfindung sieht ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 6 vor, daß der zweite Stabilisator auf wenigstens einer Seite eine schräg angesetzte Verbindung zu
dem sich anschließenden Rohrkörper des Gehäuses aufweist. Hierbei erhält das Drehbohrwerkzeug eine höhere
Steifigkeit und dabei eine Konzentration der Biegebeanspruchungen auf den schräg angesetzten Verbindungsbereich
mit der Folge einer Entlastung der übrigen Bereiche von Biegebeanspruchungen.
Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Patentansprüche 2 bis 5 und 7 bis 10 verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigt
F i g. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
F i g. 2—6 alternative Ausführungsformen von Bohrwerkzeugen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Prinzipdarstellung;
F i g. 7—11 alternative Ausführungsformen exzentri-
F i g. 7—11 alternative Ausführungsformen exzentri-
scher Stabilisatoren mit einer Rippenhülse, die auf einem Trägerkörper ausrichtbar und verdrehfest festlegbar
ist;
Fig. 12 einen Stabilisator mit einstellbarer Exzentrizität
in Seitenansicht und
Fig. 13 einen Querschnitt durch die Darstellung gemäß
F ig. 12.
Die in F i g. 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt ein in einem Bohrloch 1 befindliches Bohrwerkzeug 27, das mittels eines mit seinem Gehäuse 2
verbundenen Bohrstranges 3 in einem Drehtisch 28 eines Bohrturms 30 eingespannt ist. Der Drehtisch 28 besitzt
eine Antriebs- und Blockiervorrichtung 29 mittels der das Spannfutter des Drehtisches 28 und damit der
Bohrstrang 3 in kontinuierliche Umdrehung versetzbar ist oder durch eine begrenzte Drehbewegung ausricht
und anschließend gegen Drehung festlegbar ist.
Die in den F i g. 2 bis 7 dargestellten Alternativen des Bohrwerkzeugs 27 besitzen als gemeinsame Merkmale
ein Gehäuse 2 aus mehreren Sektionen, in dem ein nicht näher dargestellter Motor angeordnet ist, der z. B. als
Turbine oder als Verdrängungsmotor nach dem Moineau-Prinzip ausgeführt sein kann, und dessen Rotor über
eine in einer unteren Gehäusesektion 4 gelagerten Abtriebswelle 5 mit einem Drehbohrmeißel 6 verbunden
ist. Das Gehäuse 2 des Bohrwerkzeugs 27 trägt im Bereich seiner unteren Gehäusesektion 4 einen ersten,
zentrischen Stabilisator 7 und oberhalb des ersten Stabilisators 7 einen zweiten, exzentrischen Stabilisator 8.
Wie die F i g. 2 bis 6 veranschaulichen, wird das Gehäuse 2 durch die Abstützung des zweiten, exzentrischen
Stabilisators 8 an den Wänden des Bohrlochs 1 ausgelenkt, wobei der Drehpunkt der Auslenkung bezogen
auf die ursprüngliche Bohrlochachse 9 im Schwerpunkt des ersten, zentrischen Stabilisators 7 zu liegen
kommt und der Drehbohrmeißel 6 in die entgegengesetzte Richtung gedrückt wird.
Die Rotationsachse 10 der Abtriebswelle 5 wird so gegenüber der ursprünglichen Bohrlochachse 9 abgewinkelt.
Der erste, zentrische Stabilisator 7 ist vorzugsweise ballig ausgebildet, um bei der erzwungenen geneigten
Lage ein Verkanten seiner Rippen an der Bohrlochwand zu verhindern. Oberhalb des Gehäuses 2 ist
noch ein dritter, zentrischer Stabilisator IJ angedeutet, mittels dessen Größe und Plazierung auf dem Bohrstrang
die Geradeausbohreigenschaften des Bohrwerkzeugs 27 in einem geneigten Bohrloch 1 verbessert werden
können.
Hinsichtlich der Anordnung des zweiten, exzentrischen Stabilisators 8 bestehen mehrere Möglichkeiten.
In der Alternative gemäß F i g. 2 ist der zweite Stabilisator 8 in einem oberen Bereich des Gehäuses 2 angeordnet.
Es ist auch möglich ihn oberhalb des Gehäuses 2 anzufügen, wobei dann jedoch die Neigung der Rotationsachse
10 gegenüber der ursprünglichen Bohrlochachse 9 im Verhältnis zur Exzentrizität des zweiten Stabilisators
8 sehr klein wird. Die aus der Neigung des Gehäuses 2 im Bohrloch 1 resultierende Durchbiegung
des Bohrstranges 3 kann vorteilhaft auf eine flexible Sektion 12 konzentriert werden, die zwischen dem zweiten
Stabilisator 8 und dem darüberliegenden Bohrstrang 3 eingefügt wird. Die Beschränkung der Durchbiegung
auf diese Sektion 12 hält Biegebeanspruchungen, die sich sonst gleichmäßig auf den Bohrstrang 3 und
das Gehäuse 2 verteilen würden, von diesen Bereichen fern und entlastet somit Gewindeverbindungen und Lager.
Bei der in F i g. 3 gezeigten Alternative ist der zweite Stabilisator 8 näher am ersten Stabilisator 7 angeordnet. Der die Auslenkung der Rotationsachse 10 bewirkende Hebelarm in Vergleich zu der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist dadurch kürzer, so daß die erforderliehe Exzentrizität des zweiten Stabilisators 8 geringer bemessen sein kann. Die Anordnung bewirkt eine besonders starke Biegebeanspruchung der zwischen dem ersten Stabilisator 7 und dem zweiten Stabilisator 8 liegenden Gehäusesektion, die zur Aufnahme dieser Biegebeanspruchung als flexible Sektion 13 ausgeführt ist.
Bei der in F i g. 3 gezeigten Alternative ist der zweite Stabilisator 8 näher am ersten Stabilisator 7 angeordnet. Der die Auslenkung der Rotationsachse 10 bewirkende Hebelarm in Vergleich zu der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist dadurch kürzer, so daß die erforderliehe Exzentrizität des zweiten Stabilisators 8 geringer bemessen sein kann. Die Anordnung bewirkt eine besonders starke Biegebeanspruchung der zwischen dem ersten Stabilisator 7 und dem zweiten Stabilisator 8 liegenden Gehäusesektion, die zur Aufnahme dieser Biegebeanspruchung als flexible Sektion 13 ausgeführt ist.
Der zweite Stabilisator 8 ist austauschbar ausgebildet, um die für den maximal gewünschten Krümmungsradius
der Ablenkbohrung erforderliche Exzentriztät frei vorgeben zu können. Der zweite Stabilisator 8 kann
dabei auch mit der flexiblen Sektion 13 ein integrales Teil bilden, das gemeinsam ausgetauscht wird. Bei Verwendung
eines Verdrängungsmotors nach dem Moineau-Prinzip ist die die Verbindung zwischen dem Motorrotor
und der in der unteren Gehäusesektion 4 gelagerten Abtriebswelle 5 bildende Gelenkwelle bei der Alternative
nach Fig.3 in der flexiblen Sektion 13 angeordnet. Die Gelenkwelle ist mit dem Motorrotor und/oder
der Abtriebswelle 5 durch eine Steckkupplung verbunden, um eine leichte Montage oder Demontage des
Bohrwerkzeugs 27 bei Austausch des zweiten Stabilisators 8 zu ermöglichen.
Fig.4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführung gemäß
F i g. 3, bei der oberhalb des zweiten Stabilisators 8 und des Gehäuses 2 eine weitere flexible Sektion 14
angeordnet ist. Diese Sektion 14 nimmt die gegenüber der flexiblen Sektion 13 entgegengesetzte Biegebeanspruchung
auf, so daß ähnlich wie bei der flexiblen Sektion 12 in F i g. 2 Biegebeanspruchungen vom Gehäuse 2
und dem oberhalb des Bohrwerkzeugs 27 liegenden Strang 3 ferngehalten werden.
Wie die Alternative in F i g. 5 zeigt, die hinsichtlich der Anordnung der Stabilisatoren 7,8 und 11 sowie der
Auslenkung des Gehäuses 2 und der Abtriebswelle 5 mit derjenigen in F i g. 4 übereinstimmen, können statt flexibier
Sektionen 13,14 die abgehenden Verbindungen 15, 16 des zweiten Stabilisators 8 mit den daran anschließenden
Rohrkörpern sowie die dem Bohrwerkzeug 27 zugewandte Verbindung 17 des dritten Stabilisators 11
auch schräg angesetzt sein. Dadurch erhält das Bohrwerkzeug 27 eine höhere Steifigkeit, ohne daß Einzelteile
übermäßig auf Biegung beansprucht werden.
Wie die bisher behandelten Darstellungen zeigen, erteilt das Bohrwerkzeug 27 bei festgehaltenem Stabilisator
8 und Gehäuse 2 dem Bohrloch 1 einen in Richtung
so der Rotationsachse 10 weisenden abgeknickten Verlauf. Beim Mitdrehen des Stabilisators 8 und Gehäuses 2 mittels
des Bohrstrangs 3 läuft die abgewinkelte Rotationsachse 10 der Abtriebswelle 5 mit um, so daß die resultierende
Bewegung des Drehbohrmeißels 6 dem Bohrloch 1 einen Verlauf in Richtung der ursprünglichen Bohrlochachse
9 vorgibt. Ein wahlweises Richtungsbohren oder Geradeausbohren kann so in einfacher Weise
durch Festhalten oder Mitdrehen des zweiten Stabilisators 8 mittels des Gehäuses 2 und des im Drehtisch 28
eingespannten Bohrstrangs 3 werden.
Sofern der Durchmesser des Bohrlochs 1 nur eine geringe Neigung des Gehäuses 2 zuläßt, kann zusätzlich
auch die Abtriebswelle 5 abgewinkelt im Gehäuse 2 gelagert sein, wie es F i g. 6 zeigt, so daß sich eine Rotationsächse
24 ergibt.
Da die größten Reaktionskräfte der Stabilisatoren 7, 8 an der Oberfläche der am weitesten ausladenden Rippe
des zweiten, exzentrischen Stabilisators 8 und der
diagonal dazu liegenden Fläche des ersten, zentrischen Stabilisator 7 auftreten, ist der erste Stabilisator 7 gegenüber
dem zweiten Stabilisator 8 so ausgerichtet, daß seine am stärksten belastete Fläche eine Rippe trägt.
Zur Durchführung dieser Ausrichtung kann es vorteilhaft sein, den ersten und/oder zweiten Stabilisator ausrichtbar
auszubilden. Diesbezüglich zeigen die Fig.7
bis 11 Ausführungsbeispiele anhand eines exzentrisch ausgebildeten, im oberen Bereich des Gehäuses 2 angeordneten
zweiten Stabilisators 8. Der zweite Stabilisator 8 besteht jeweils aus einem Trägerkörper 18 und
einer Rippenhülse 19, die auf dem Trägerkörper 18 durch eine Formschlußverbindung festlegbar ist. Bei
den in den F i g. 7 und 8 gezeigten Alternativen ist die Rippenhülse 19 in Stufen relativ zu dem Trägerkörper
18 ausrichtbar. Die Formschlußverbindung zwischen den Teilen 18 und 19 ist bei der Ausführung in F i g. 7
durch eine Keil- Nut- Verzahnung und bei der in F i g. 8 durch eine Stirnverzahnung 21 gebildet.
Die in den F i g. 9 bis 11 gezeigten Alternativen ermöglichen
eine stufenlose Verstellung der Rippenhülse
19 gegenüber dem Trägerkörper 18 und ihrer Festlegung durch eine Kraftschlußverbindung. In F i g. 9 wird
die Festlegung durch einen Schrumpfsitz bewirkt, der durch hydraulisches Aufpumpen der mit Dichtungen 22
versehenen Rippenhülse 19, Aufschieben derselben auf den Trägerkörper 18 und Druckentlasten der Rippenhülse
19 herbeigeführt wird. Fig. 10 zeigt die Festlegung
mittels einer längsgeschlitzten Zwischenhülse 25, die der Rippenhülse 19 einen konischen Gewindebereich
darbietet und sich beim Verschrauben mit derselben 19 auf dem Trägerkörper 18 verklemmt. Eine Festlegung
durch Verklemmen erfolgt ebenfalls bei der in F i g. 11 gezeigten Alternative, bei der die Rippenhülse
19 längs einer Rippe geschlitzt ist und nach Art einer Schelle durch mehrere Schrauben 26 verspannt wird.
Ein erster, zentrischer Stabilisator 7 könnte entsprechend den vorstehend erläuterten Alternativen ebenfalls
ausrichtbar ausgeführt werden.
Sofern die Exzentrizität des zweiten, exzentrischen Stabilisators 8 im Hinblick auf bestimmte Bohrlochverhältnisse
und Krümmungsradien der Ablenkbohrung angepaßt werden soll, kann der zweite Stabilisator 8
auch einstellbar ausgebildet sein.
Gemäß F i g. 12 und 13 erhält eine solche Ausführung zusätzlich zu dem Trägerkörper 18 und der Rippenhülse
19 eine exzentrische Zwischenhülse 23. Durch relatives Verdrehen der Rippenhülse 19 und der Zwischenhülse
23 kann so das Maß der Exzentrizität des Stabilisators 8 zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert
in Stufen verändert werden, wobei die Möglichkeit der Ausrichtung gegenüber dem Trägerkörper 18 erhalten
bleibt. Die Festlegung der Teile erfolgt durch eine Stirnverzahnung, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 8 beschrieben ist.
Um die Geradeausbohreigenschaften eines mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestatteten Bohrwerkzeugs
auch bei geneigten Bohrlöchern zu optimieren, wird der erste, zentrische Stabilisator 7 auf das Maß
des Bohrlochdurchmessers abgestimmt, während der zweite, exzentrische Stabilisator 8 mit Untermaß ausgeführt
wird, um eine sich aus der Durchbiegung des Gehäuses 2 und der Abtriebswelle 5 ergebendes Neigungsänderungstendenz
zu kompensieren.
65
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen,
bestehend aus einem Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mit einem Bohrstrang verbindbaren
Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motors verbundene
Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel
trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster, zentrischer Stabilisator
und in einem Abstand über diesem ein zweiter, exentrischer Stabilisator befestigt ist, und das Gehäuse
zum Geradeausbohren mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung versetzbar und
zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (2) oberhalb des ersten Stabilisators (7) wenigstens eine flexible Sektion (12; 13; 14)
umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Sektion (13) zwischen dem
ersten (7) und dem zweiten Stabilisator (8) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Sektion (12) oberhalb des
zweiten Stabilisators (8) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei flexible Sektionen (13, 14) vorhanden sind, von denen die erste (13) zwischen dem
ersten (7) und dem zweiten Stabilisator (8) und die zweite (14) oberhalb des zweiten Stabilisators (8)
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des zweiten
Stabilisators (8) und einer gegebenenfalls oberhalb dieses angeordneten flexiblen Sektion (12; 14) ein
dritter, zentrischer Stabilisator (11) angeordnet ist.
6. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen,
bestehend aus einem Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mit einem Bohrstrang verbindbaren
Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motors verbundene
Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel
trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster, zentrischer Stabilisator
und in einem Abstand über diesem ein zweiter, exzentrischer Stabilisator befestigt ist, und das Gehäuse
zum Geradeausbohren mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung versetzbar und
zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Stabilisator (8) auf wenigstens einer Seite eine schräg angesetzte Verbindung (15; 16) zu dem
sich anschließenden Rohrkörper des Gehäuses (2) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des zweiten Stabilisators (8)
ein dritter Stabilisator (11) mit einer dem zweiten Stabilisator (8) zugewandten, schräg angesetzten
Verbindung (17) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
erste Stabilisator (7) eine ballige Rippenaußenkon-
tur darbietet.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Stabilisator (8) austauschbar ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Stabilisator (8) mit der flexiblen Sektion (13) ein integrales Teil
bildet und gemeinsam austauschbar ist.
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