DE3417743C1

DE3417743C1 - Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen

Info

Publication number: DE3417743C1
Application number: DE19843417743
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing. 3100 Celle Krüger
Original assignee: Christensen Inc; Norton Christensen Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1984-05-12
Filing date: 1984-05-12
Publication date: 1985-03-28
Also published as: JPH0443155B2; JPS60246987A

Description

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, Ii g. 2 und 3 alternative hilsiührungsfolncn vOIl Vohlwelkzeugen der crlindungsgemäßcn Vorrieh u ng als Prinzipdarstellung, F i g. 4 und 5 als Detail aus F i g. 2 Schnitte durch die Übergänge unterschiedlich ausgelenkter Gehäuscsektionen, Fig.5 bis 10 alternative Ausführungsformen exzenfrischer Stabilisatoren mit einer Rippenhülse, die auf einem Trägerkörper ausrichtbar und verdrehfest festlegbar ist, F i g. 11 einen Stabilisator mit einstellbarer Exzentrizität in Seitenansicht und Fig. 12 einen Querschnitt durch die Darstellung gemäßFig. 11.
Die in Fig.1 gezeigte erfindungsgemäße Vorlichtung umfaßt ein in einem Bohrloch 1 befindliches Drehbohrwerkzeug 2, das mittels eines mit seinem Gehäuse 3 verbundenen Bohrstranges 4 in einem Drehtisch 5 cines Bohrturms 6 eingespannt ist. Der Drehtisch 5 besitzt eine Antriebs- und Blockiervorrichtung 7, mittels der das Spannfutter des Drehtisches 5 und damit der Bohrstrang 4 in kontinuierliche Umdrehung versetzbnl ist oder durch eine begrenzte Drehbewegung ausricht- und anschließend gegen Drehung festlegbar ist. Dic in F i g. 2 und 3 dargestellten Alternativen des Bohrwerkzeugs 2 besitzen als gemeinsame Merkmale ein Gehäuse 3, das aus einer oberen, konzentrisch zu einer Werkzeughauptachse 8 liegenden Sektion 9, einer unteren, gegenüber der Werkzeughauptachse 8 ausgelenkten Sektion 10 und einer die unteren Sektion 10 mit der oberen Sektion 9 verbindenden Zwischensektionen 11 besteht. In der Sektion 9 des Gehäuses 3 ist ein nicht näher dargestellter Motor angeordnet, der z. B. als Verdrängungsmotor nach dem Moineau-Prinzip ausgeführt sein kann und dessen Rotor über eine durch die Zwischensektion 11 führende Gelenkwelle und eine in der untcr Gehäusesektion 10 gelagerten Abtriebswelle 12 mit einem Drehbohrmcißel 13 verbunden ist. Auf der unteren Sektion 10 und der oberen Sektion 9 oder kurz darüber befindet sich jeweils ein Stabilisator 14, 15. Der untere Stabilisator 14 sorgt dafür, daß die Achse 16 der unteren Sektion 10, die gleichzeitig die Rotationsachse für die Abtriebswelle 12 und den Drehbohrmeißel 13 bildet, mit der Werkzeughauptachse 8 in der Nähe des Drehbohrmeißels 13 - bei der Ausführung nach F i g. 2 exakt im Schwerpunkt des Stabilisators 14 - schneidet.
Der Stabilisator 15 sorgt dafür, daß der durch die konstruktive Aneinanderfügung der Sektionen 10,11 und 9 vorgegebene Winkel der Auslenkung der Sektion 10 gegenüber der Werkzeughauptachse 8 eingehalten wird. Diese konstruktive Aneinanderfügung kann z. B.
durch gekröpfte kurze Verbindungsrohrstücke, wie sie F i g. 4 für den Übergang 17 zwischen der oberen Sektion 9 und der Zwischensektion 11 als Detail zeigt, oder durch direkt an die Sektionen 9, 11 angesetzte, schräge Gewindeverbindungen, wie sie F i g. 5 alternativ für den gleichen Übergang 17 veranschaulicht, realisiert werden.
Durch die Auslenkung der unteren Gehäusesektion 10 und damit gleichzeitig der Abtriebswelle 12 und des Drehbohrmeißels 13 gegenüber der Werkzeughauptachse 8 wird erreicht, daß das Bohrwerkzeug 2 bei festgehaltenem Gehäuse 3 dem Bohrloch 1 einen in Richtung der Sektions- bzw. Rotationsachse 16 weisenden, abgeknickten Verlauf erteilt. Bei Mitdrehen des Gehäuses 3 läuft die abgewinkelte Rotationsachse 16 mit um, so daß die resultierende Bewegung des Drehbohrmeißels 13 dem Bohrloch 1 einen Verlauf in Richtung der Werkzetigl'üuptnchse 8 voruibl. lin wnhlweises liicll tungsbohren oder Geradeausbohren kann so in einfacher Weise durch Festhalten oder Mitdrehen des Gehäuses 3 mittels des im Drehtisch 5 eingespannten Bohrstranges 4 erzielt werden. Durch die Anordnung des Schnittpunktes der Rotationsachse 16 mit der Werkzeughauptachse 8 in die Nähe des Drehbohrmeißels 13 tritt in der Betriebsart Geradeausbohren durch die exzentrische Taumelbewegung des Drehbohrmeißels 13 nur eine geringfügige Aufweitung des Bohrloches 1 gegenüber der Betriebsart Richtungsbohren auf.
Der Betrag dieser Aufweitung entspricht etwa dem doppelten Wert des Achsenversatzes 27 zwischen der Rotationsachse 16 und der Werkzeughauptachse 8 im Bereich des Drehbohrmeißels 13, auch als Offset bezeichnet.
Dieser Offset 27 kann auch zu Null gemacht werden, wenn statt des in F i g. 2 dargestellten zentrischen Stabilisators 14 ein exzentrischer Stabilisator verwendet wird, dessen Exzentrizität den Offset gerade kompensiert. Eine derartig abgewandelte Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt, bei der der dem Drehbohrmeißel 13 benachbarte Stabilisator 18 exzentrisch ausgebildet ist. Mit-einer solchen Ausführung lassen sich Bohrlochaufweitungen beim Geradeausbohren vermeiden, Verschleißerscheinungen im Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels 13 und dem Außenbelag des Stabilisators 18 weiter verringern und Biegebeanspruchung vom Gehäuse 3 fernhalten.
Um den Betrieb des Drehbohrwerkzeugs 2 mit Drehbohrmeißeln 13 unterschiedlichen Durchmessers zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die Stabilisatoren 14 bzw.
18 und 15 austauschbar auszubilden. Dabei kann die Exzentrizität des Stabilisators 18 voreinstellbar gemacht und eine Ausrichtung der Rippen zwischen dem ersten und dem zweiten Stabilisator 14; 18 und 15 ermöglicht werden. Diesbezüglich zeigen die Fig. 6 bis 12 Ausführungsbeispiele.
Der in den F i g. 6 und 7 dargestellte Stabilisator 18 besteht jeweils aus einem Trägerkörper 19 und einer Rippenhülse 20, die auf dem Trägerkörper 19 durch eine Formschlußverbindung festgelegt ist. Bei den gezeigten Alternativen ist die Rippenhülse 20 in Stufen relativ zum Trägerkörper 19 ausrichtbar. Die Formschlußverbindungen zwischen den Teilen 19 und 20 ist bei der Ausführung in Fig. 6 durch eine Keil-Nut-Verzahnung 21 und bei der in Fig. 7 durch eine Stirnverzahnung 22 gebildet.
Die in Fig. 8 bis 10 gezeigten Alternativen ermöglichen einen Austausch und eine stufenlose Verstellung der Rippenhülse 20 gegenüber dem Trägerkörper 19 und ihre Festlegung durch eine Kraftschlußverbindung.
In F i g. 8 wird die Festlegung durch einen Schrumpfsitz bewirkt, der durch hydraulisches Aufpumpen der mit Dichtungen 23 versehenen Rippenhülse 20, Aufschieben derselben auf den Trägerkörper 19 und Druckentlasten der Rippenhülse 20 herbeigeführt wird. F i g. 9 zeigt die Festlegung mittels einer längsgeschlitzten Zwischenhülse 24, die der Rippenhülse 20 einen konischen Gewindebereich darbietet und sich beim Verschrauben mit derselben 20 auf dem Trägerkörper 19 verklemmt. Eine Festlegung durch Verklemmen erfolgt ebenfalls bei der in F i g. 10 gezeigten Alternative, bei der die Rippenhülse 20 längs einer Rippe geschlitzt ist und nach Art einer Schelle durch mehrere Schrauben 25 verspannt wird.
Sofern die Exzentrizität des Stabilisators 18 voreinstellbar sein soll, kann eine Ausführung gemäß F i g. 11 und 12 gewählt werden. Dieser Stabilisator umfaßt zusätzlich zu dem Trägerkörper 19 und der Rippenhülse 20 eine exzentrische Zwischenhülse 26. Durch relatives Verdrehen der Rippenhülse 20 und der Zwischenhülse 26 kann das Maß der Exzentrizität des Stabilisators 18 zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert in Stufen verändert werden, wobei die Möglichkeit der Ausrichtung der Rippenhülse 20 gegenüber dem Trägerkörper 19 erhalten bleibt. Die Festlegung der Teile erfolgt durch eine Stirnverzahnung, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 beschrieben ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdischen Gesteinsformationen, bestehend aus einem eine Werkzeughauptachse definierenden Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mehrere Sektionen umfassenden, 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 crster Stabilisator und in einem Abstand über diesem ein zweiter Stabilisator befestigt sind, und daß zum Geradeausbohren das Gehäuse durch Drehen mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung um die Werkzeughauptachse versetzbar und zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehbohrmeißel (13) benachbarte und die Abtriebswelle (12) lagernde Sektion (10) des Gehäuses (3) bezogen auf die Werkzeughauptachse (8) ausgelenkt ist und diese Sektion (10) mit einer oberen, koaxial zur Werkzeughauptachse (8) ausgerichteten Sektion (9) durch eine entgegengesetzt ausgelenkte Zwischensektion (11) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge (17) unterschiedlich ausgelenkter Sektionen (11; 9) durch gekröpfte Verbindungsrohrstücke gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge (17) unterschiedlich ausgelenkter Sektionen (11; 9) durch schräg an diese Sektionen (11; 9) angesetzte Gewindeverbindungen gebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stabilisator (14; 18) eine ballige Rippenaußenkontur darbietet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stabilisator (14) zentrisch ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stabilisator (18) exzentrisch ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (14; 18) und/oder zweite Stabilisator (15) integral mit der zugeordneten Gehäusesektion (10; 9) verbunden sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (14; 18) und/oder zweite Stabilisator (15) austauschbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (14; 18) und/oder zweite Stabilisator (15) eine Rippenhülse (20) umfassen, die auf einem Trägerkörper (19) ausrichtbar und verdrehfest festlegbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhülse (20) mit dem Trägerkörper (19) eine Formschlußverbindung bildet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschlußverbindung durch eine Keil-Nut-Verzahnung (21) dargestellt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Formschlußverbindung durch eine Stirnverzahnung (22) dargestellt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhülse (20) mit dem Trägerkörper (19) eine Kraftschlußverbindung bildet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftschlußverbindung durch einen Schrumpfsitz der Rippenhülse (20) auf den Trägerkörper (19) gebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftschlußverbindung durch eine Klemmverbindung mit einer längsgeschlitzten, gegenüber der Rippcnhülse (20) konischen und mit dieser verschraubbaren Zwischenhülse (24) gebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftschlußverbindung durch eine Klemmverbindung mittels einer längsgeschlitzten, durch tangentiale Schrauben (25) verspannbaren Rippenhülse (20) gebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stabilisator (18) eine einstellbare und festlegbare Exzentrizität besitzt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen gemäß dem Oberbegriff

des Anspruchs 1.

Line bekannte Vorrichtung dieser Art EP-OS 85 444) umfaßt ein geradrohrförmiges Werkzeug, bei dem zumindest der dem Drehbohrmeißel benachbarte erste Stabilisator oder der in einem Abstand über diesem angeordnete zweite Stabilisator exzentrisch ausgebildet sind. Diese Ausbildung prägt dem Werkzeuggehäuse im Bohrbetrieb eine Durchbiegung auf.

1 hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art zu schaffen, die Biegebeanspruchungen von dem Drehbohrwerkzeug weitgehend fernhält und nur geringe Reaktionskräfte auf die Bohrlochwand ausübt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 17 verwiesen.

C;emäß der Erfindung wird eine Durchbiegung des Drehbohrwerkzeugs durch die bereits konstruktiv ausgeführte Auslenkung der unteren Sektion des Gehäuses vermieden und im Zusammenhang mit der entgegengesetzt ausgelenkten Zwischensektion der Schnittpunkt der Achse der ausgelenkten Sektion mit der Werkzeughauptachse sehr nahe in den Bereich des Drehbohrmeißels verlegt. Auf diese Weise kann der für die Aufweiturig des Bohrlochdurchmessers beim Geradeausbohren über das Kaliber des Bohrmeißels hinaus maßgeblichc »Offset« des Bohrmeißels - darunter versteht man den Versatz der Rotationsachse des Bohrmeißels gegen über der Werkzeughauptachse - sehr klein oder gar zu Null gemacht werden. Der Verschleiß des Bohrmcißelkalibrierbereichs, des Stabilisators sowie die Biegebeanspruchung des Gehäuses werden auf diese Weise vermindert.