DE3902868C1 - - Google Patents
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- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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- E21B7/04—Directional drilling
- E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
- E21B7/068—Deflecting the direction of boreholes drilled by a down-hole drilling motor
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- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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- E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
- E21B7/208—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes using down-hole drives
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie ein
Bohrgerät zum Erstellen eines am Umfang ausgesteiften,
überwiegend horizontal ausgerichteten Bohrlochs in Boden
formationen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
des Anspruchs 6.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Zeitschrift
"Erdöl, Erdgas, Kohle", 103. Jahrgang, Heft 12, S. 531-534)
wird das Bohrloch mittels eines an einen Bohrrohrstrang
angeschlossenen Richtbohrwerkzeugs über einen Längenab
schnitt vorgetrieben. Danach wird entlang dem Bohrrohrstrang
ein Mantelrohr nachgeführt und dabei das vom Drehbohrmeißel
des Richtbohrwerkzeugs gebohrte Bohrloch überbohrt. Sobald
das vordere Ende des Mantelrohrs Anschluß an das Richtbohr
werkzeug gefunden hat, wird nun mittels des Richtbohrwerk
zeugs ein anschließender Längenabschnitt des Bohrlochs
vorgebohrt und dann wieder das Mantelrohr nachgeführt.
Auf diese Weise schieben sich sowohl der Bohrrohrstrang
mit Richtbohrwerkzeug als auch das Mantelgestänge
abwechselnd entlang einer als Bohrlochachse gedachten,
vorbestimmten Linie vor. Ein derartiges Verfahren mit
intervallweisem Nachführen des Mantelrohrs erfordert durch
das Überbohren einen erheblichen Bohraufwand und erzeugt
Bohrlöcher mit einem den Nennendurchmesser des Drehbohr
meißels erheblich übersteigenden Durchmesser. Auch läßt
die Genauigkeit des Bohrlochverlaufs zu wünschen übrig,
da ein Richtbohrwerkzeug mit einem unstabilisierten, den
Tieflochmotor aufnehmenden, abgewinkelten Außengehäuse
(bent housing), das sich direkt an der Bohrlochwand ab
stützt, Anwendung findet. Insbesondere in weichen Forma
tionen, z. B. sandigen Böden, ist die Richtungsvorgabe recht
unpräzise, und es bedarf häufiger Richtungskorrekturen,
um den Verlauf des Bohrloches annähernd der gewünschten
vorgegebenen Linie folgen zu lassen. Ferner stößt die Abfuhr
von Bohrklein mit wachsendem Abstand des Drehbohrmeißels
zum vorderen Ende des Mantelrohrs auf zunehmende Schwierig
keiten, die sich in weichen Formationen sowie in Formationen
mit starkem Grundwasseraufkommen verstärken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie ein Bohrgerät der eingangs genannten Art zu schaffen,
durch die bei verringertem Arbeitsaufwand und damit einher
gehenden Kosten ausgesteifte Bohrlöcher mit geringerem
Durchmesser und präziserem Verlauf erstellt werden können.
Das Verfahren nach der Erfindung löst diese Aufgabe mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich weiterer Ausge
staltungen des Verfahrens wird auf die Ansprüche 2 bis
5 verwiesen. Das Bohrgerät nach der Erfindung löst die
Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Hinsichtlich
wesentlicher weiterer Ausgestaltungen des Bohrgerätes wird
auf die Ansprüche 7 bis 20 verwiesen.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung bestimmt allein der
Drehbohrmeißel den Bohrlochdurchmesser. Das im vom Drehbohr
meißel gebohrte Bohrloch dem Drehbohrmeißel innerhalb dessen
Kontur unmittelbar nachfolgende Mantelrohr bildet ferner
eine Wandfläche, auf der sich das Außengehäuse des Richt
bohrwerkzeugs präzise abstützen kann. Dabei sind das Richt
bohrwerkzeug bis auf seinen Drehbohrmeißel und der Bohrrohr
strang Formationsbelastungen vollständig entzogen.
Das Richtbohrwerkzeug und sein Bohrrohrstrang sowie das
Mantelrohr bilden eine sich zugleich durch die Formation
hindurch bewegende Einheit, bei der das Richtbohrwerkzeug
das vordere Ende des Mantelrohrs lenkt, das seinerseits
eine präzise Führung für das Richtbohrwerkzeug bildet und
dieses bis auf seinen Drehbohrmeißel kapselt. Für die Ab
förderung von Bohrklein bildet dabei das Mantelrohr an
seiner Außenseite eine durchgehende Führungsfläche. Das
Bohrgerät ist dabei deutlich außerordentlich einfach und
ermöglicht das Erstellen von Bohrlöchern eines außerordent
lich präzisen Verlaufs, da sich das Richtbohrwerkzeug am
nicht länger an einer gegebenenfalls nachgiebigen oder
sich durch Auswaschungen verändernden Bohrlochwand abstützt.
Mit besonderem Vorteil kann ein Navigationsbohrwerkzeug
als Richtbohrwerkzeug eingesetzt werden, das aufgrund der
Führung seines Außengehäuses über Stabilisatoren zusätzliche
Genauigkeitsvorteile erbringt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die in einer
schematischen, abgebrochenen, teilweise geschnittenen
Seitenansicht den vorderen Endbereich des Bohrgerätes nach
der Erfindung näher veranschaulicht.
Das erfindungsgemäße Bohrgerät umfaßt im einzelnen ein
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Navigations
bohrwerkzeug ausgebildetes Richtbohrwerkzeug 1 mit einem
rohrförmigen Außengehäuse 2, in dem ein nicht näher veran
schaulichter Tieflochmotor 3 vorzugsweise in Gestalt einer
von der Bohrspülung antreibbaren Turbine oder eines von
der Bohrspülung antreibbaren Moineau-Motors untergebracht
ist. Der Tieflochmotor 3 treibt eine aus dem vorderen Ende
des Außengehäuses 2 austretende Meißelwelle 4 an, die im
vorderen, in Höhe eines vorderen Stabilisators 5 befind
lichen Teil des Außengehäuses 2 gelagert ist und mit ihrer
Achse unter einem Winkel 6 zur Mittelachse 7 des rückwärti
gen Hauptteils des Außengehäuses 2 des Richtbohrwerkzeugs
1 ausgerichtet ist.
Das Außengehäuse 2 ist in seinem rückwärtigen Hauptteil
mit einem rückwärtigen Stabilisator 8 versehen, und die
von Stabilisatorflügeln oder -rippen gebildeten Stabilisa
toren 5, 8 stützen das Außengehäuse 2 des Richtbohrwerkzeugs
1 an der Innenseite eines Mantelrohres 9 ab. An seinem
rückwärtigen Ende ist mittels eines Übergangsstücks 10
das Außengehäuse 2 des Richtbohrwerkzeugs 1 mit einem Bohr
rohrstrang 11 verbunden, der an seinem nicht dargestellten
obertägigen Ende durch ebenfalls nicht dargestellte An
triebs- und Vorschubmittel vortreibbar und in Eigendrehung
versetzbar sowie in ausgerichteten Stellungen verdrehfest
abstützbar ist. Antriebs- und Vorschubmittel geeigneter
Art sind dem Fachmann bekannt und bedürfen hier keiner
näheren Erläuterung.
Das vordere Ende des Mantelrohrs ist als ein gegenüber
dem Hauptteil des Mantelrohrs 9 verlagerbares Teil 12 aus
gebildet, das im Bereich seines vorderen Randes mit einem
Führungsteil 13 eines Drehbohrmeißels 14 in Führungseingriff
steht. Dieser Führungsteil 13 des Drehbohrmeißels 14 ist
von einer zylindrischen Dichtungs- und Führungsfläche gebil
det, auf der der vordere Randbereich des vorderen Endes
12 des Mantelrohrs 9 vorzugsweise unter Abdichtung gelagert
ist. Der Drehbohrmeißel 14 ist mittels einer Kupplung 15,
die nicht näher dargestellte ausklinkbare Riegelglieder
umfaßt, auf dem vorderen Ende der Meißelwelle 4 festgelegt
und von der Meißelwelle vorübergehend abkuppelbar. Dabei
hat der Drehbohrmeißel 14 bzw. dessen Schneidteil 16 einen
Nenndurchmesser 17, der gleich oder geringfügig größer
ist als der Außendurchmesser des Mantelrohrs 9.
Das als gesondert verlagerbares Teil ausgebildete vordere
Ende 12 des Mantelrohrs 9 ist über ein Rohrgelenk mit dem
sich anschließenden Hauptteil des Mantelrohres 9 verbunden,
das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel und bevorzugt
als Trennschnitt-Gelenk 18 ausgebildet ist. Dabei ist das
Trennschnitt-Gelenk durch eine außen umlaufende Dichtung
19 abgedichtet. Anstelle eines solchen Trennschnitt-Gelenkes
18 kann das Rohrgelenk auch von einem flexiblen Übergangsbe
reich des Mantelrohrs 9 gebildet sein, und der flexible
Übergangsbereich kann seinerseits von einem Wellrohrab
schnitt, einem Abschnitt aus einem Material erhöhter Biege
elastizität oder auch von einem Abschnitt des Mantelrohrs
9 mit einem gegenüber benachbarten Bereiche des Mantelrohrs
9 herabgesetzten Widerstandsmoment gebildet sein.
Der Winkel 6 zwischen der Achse der Meißelwelle 4 und der
Mittelachse 7 des Außenrohrs 2 des Richtbohrwerkzeugs 1
ist durch eine Abknickung des vorderen, im Bereich des
vorderen Stabilisators 5 gelegenen Teils des Außengehäuses
2 gebildet, wobei die Knickstelle 20 des Außengehäuses
2 entgegen der Bohrrichtung hinter dem Stabilisator 5 und
dabei zugleich in oder nahe der Gelenkebene des Rohrgelenks
18 des Mantelrohrs 8 angeordnet ist. Der Knickwinkel ent
sprechend dem Winkel 6 liegt bei dem dargestellten Beispiel
in einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden gedachten
Ebene durch die Mittelachse 7 des Mantelrohrs 9. Dement
sprechend kann das vordere Ende 12 des Mantelrohrs 9 bei
relativen Drehbewegungen zwischen vorderen Teilen 5, 13
des Richtbohrwerkzeugs 1 und dem Mantelrohr 9 den Bewegungen
des vorderen Teils des Richtbohrwerkzeugs 1 folgen und
wie dieses mit seiner Achse die Mantellinie eines Kreiske
gels beschreiben, dessen Spitze mit der Knickstelle 20
des Außengehäuses 2 des Richtbohrwerkzeugs 1 zusammenfällt.
Dies veranschaulicht die gestrichelte Umrißlinie 21 des
vorderen Endes 12 des Mantelrohrs 9, und das Versatzmaß
oder die Exzentrizität der Bewegung des Drehbohrmeißels
14 in dessen Schneidebene ist bei 23 angedeutet.
Um in weichen Formationen ein Auswaschen des Bohrlochs
durch einen zu starken Bohrspülungsstrom, wie er für das
Antreiben eines hydraulischen Tieflochmotors 3 notwendig
ist, zu vermeiden, kann ein Teil der Bohrspülung über ein
im Außengehäuse 2 stromab des Tieflochmotors 3 vorgesehenes,
volumenstromabhängiges Bypass-Ventil 24 in den Ringraum
25 zwischen Außengehäuse 2 und Mantelrohr 9 abgeleitet
werden, so daß nur ein entsprechend verringerter Teil der
pro Zeiteinheit geförderten Bohrspülungsmenge den Drehbohr
meißel 14 passiert und in das Bohrloch übertritt.
Zum Erstellen der durch das Mantelrohr 9 am Umfang ausge
steiften, überwiegend horizontal ausgerichteten Bohrlochs,
das ohne weiteres auch zumindest streckenweise unter einem
namhaften Winkel abwärts und/oder aufwärts verlaufen kann,
werden für ein Geradeausbohren das Richtbohrwerkzeug 1
und das Mantelrohr 9 in Umdrehung versetzt, wobei die Dreh
richtung von Mantelrohr 9 und Richtbohrwerkzeug 1 gleich
sein kann, bevorzugt aber entgegengesetzt ist. Die langsame
Eigenumdrehung des Richtbohrwerkzeugs 1 stellt trotz der
Abknickung des Außengehäuses 2 den Geradeausbohrvorgang
sicher, wobei durch die Exzentrizität 23 ein zusätzlicher
Räumeffekt entsteht. Die Drehbewegung des Mantelrohrs 9
dient hingegen dazu, den Widerstand der Vortriebsbewegung
des Mantelrohrs 9 in der Formation herabzusetzen. Dement
sprechend kann die Drehzahl der Drehbewegung des Mantel
rohres 9 ohne weiteres von der des Richtbohrwerkzeugs 1
abweichen und unter dem Gesichtspunkt der Widerstandsmini
mierung festgelegt werden.
Bedarf der gewünschte weitere Verlauf eines Bohrlochs eines
abgewinkelten Bohrvorganges, wird über die Antriebs- und
Vorschubmittel und den Bohrrohrstrang das Richtbohrwerkzeug
1 in eine Orientierung des Außengehäuses 2 stillgesetzt,
die dem weiterführenden Richtungsverlauf des Bohrlochs
entspricht. Die jeweilige Position des Drehbohrmeißels
14 bzw. des Richtbohrwerkzeugs 1 im Bohrloch kann durch
geeignete Sensoren fortlaufend oder intervallweise ermittelt
werden, so daß durch abwechselndes Stillsetzen oder in
Umdrehungversetzen des Richtbohrwerkzeugs 1 ein jeweils
gewünschter Bohrlochverlauf präzise vorgegeben werden kann.
Die Kupplung 15 zwischen Meißelwelle 4 und Drehbohrmeißel
14 ermöglicht es, das Richtbohrwerkzeug 1 aus dem Bohrloch
bei in diesem verbleibenden Mantelrohr 9 herauszubewegen,
z. B. zu Inspektions- und Instandhaltungszwecken. Dabei
besteht auch die Möglichkeit, das Richtbohrwerkzeug 1 durch
ein solches ohne Knick im Außengehäuse und entsprechend
abgewinkeltem Verlauf der Achse der Meißelwelle 4 zur
Mittelachse 7 des Außengehäuses 2 zu ersetzen, durch das
eine längere Strecke geradeaus gebohrt und dabei ein
Bohrlochabschnitt erstellt werden kann, dessen Durchmesser
sich lediglich nach dem Nenndurchmesser des Drehbohrmeißels
14 richtet.
Claims (20)
1. Verfahren zum Erstellen eines am Umfang ausgesteiften,
überwiegend horizontal ausgerichteten Bohrlochs in Boden
formationen, bei dem das Bohrloch mittels eines Richtbohr
werkzeugs vorgetrieben und diesem ein Mantelrohr nachgeführt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr gleichzei
tig und gleichförmig mit dem Richtbohrwerkzeug vorgetrieben
und dabei das vordere Ende des Mantelrohrs durch den vorde
ren Teil des Richtbohrwerkzeugs ausgerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mantelrohr unter Führung durch und Überlappung
mit einem rückwärtigen Führungsteil des Drehbohrmeißels
dessen Schneidteil im Bohrloch nachgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Mantelrohr bei seiner Vortriebsbewegung in
Eigenumdrehung versetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Richtbohrwerkzeug ein Navigations
bohrwerkzeug verwendet und für Geradeausbohrarbeiten in
Eigenumdrehung versetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Geradeausbohrarbeiten das Richtbohrwerkzeug im
Mantelrohr in einer zur Drehrichtung des Mantelrohrs ent
gegengesetzten Drehrichtung in Umlauf versetzt wird.
6. Bohrgerät zum Erstellen eines am Umfang ausgesteiften,
überwiegend horizontal ausgerichteten Bohrlochs in Boden
formationen, mit einem Richtbohrwerkzeug (1), das an einen
obertägig durch Antriebs- und Vorschubmittel vortreibbaren,
in Eigendrehung versetzbaren und in ausgerichteter Stellung
verdrehfest abstützbaren Bohrrohrstrang (11) anschließbar
ist und einen in einem rohrförmigen Außengehäuse angeordne
ten Tieflochmotor (3) für den Antrieb eines Drehbohrmeißels
(14) umfaßt, und mit einem durch obertägige Antriebs- und
Vorschubmittel dem Richtbohrwerkzeug nachführbaren Mantel
rohr (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und
Vorschubmittel dem Richtbohrwerkzeug (1) und dem Mantelrohr
(9) eine synchrone Vorschubbewegung erteilen, und daß das
Richtbohrwerkzeug (1) im Mantelrohr (9) angeordnet und
abgestützt ist und mit seinem vorderen Teil das vordere
Ende (12) des Mantelrohrs (9) ausrichtet.
7. Bohrgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das vordere Ende des Mantelrohrs (9) als ein gegenüber
dem Hauptteil des Mantelrohrs (9) verlagerbares Teil (12)
ausgebildet ist.
8. Bohrgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß das vordere Ende (12) des Mantelrohrs (9) mit
dem vorderen Bereich des Außengehäuses (2) und einem Füh
rungsteil (13) des Drehbohrmeißels (14) in Führungseingriff
steht.
9. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das vordere Ende (12) des Mantelrohrs
(9) über ein Rohrgelenk mit dem sich anschließenden Haupt
teil des Mantelrohrs (9) verbunden ist.
10. Bohrgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohrgelenk als Trennschnitt-Gelenk (18) ausgebildet
ist.
11. Bohrgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trennschnitt-Gelenk (18) durch eine außen umlaufende
Dichtung (19) abgedichtet ist.
12. Bohrgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohrgelenk von einem flexiblen Übergangsbereich
der Wandung des Mantelrohrs (9) gebildet ist.
13. Bohrgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergangsbereich von einem Wellrohrabschnitt gebil
det ist.
14. Bohrgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergangsbereich aus einem Material erhöhter Biege
elastizität gebildet ist.
15. Bohrgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergangsbereich ein gegenüber benachbarten Be
reichen des Mantelrohrs (9) herabgesetztes Widerstandsmoment
aufweist.
16. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Mantelrohrs
(9) gleich oder kleiner ist als der Nenndurchmesser (17)
des Schneidteils (16) des Drehbohrmeißels (14).
17. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Richtbohrwerkzeug (1) aus Naviga
tionsbohrwerkzeug mit einer Knickstelle (20) im Außengehäuse
(2) ausgebildet ist, die hinter dem eine vordere Führung
für das Außengehäuse (2) bildenden vorderen Stabilisator
(5) angeordnet ist und in oder nahe der Gelenkebene des
Rohrgelenks (18) des Mantelrohrs (9) angeordnet ist.
18. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Führungsteil (13) des Drehbohr
meißels (14) von einer zylindrischen Dichtungs- und Füh
rungsfläche gebildet ist und auf dieser der vordere Randbe
reich des vorderen Endes (12) des Mantelrohrs (9) gelagert
ist.
19. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehbohrmeißel (14) mittels einer
ausklinkbare Riegelglieder umfassenden Kupplung auf dem
vorderen Ende der aus dem Außengehäuse (2) des Richtbohr
werkzeugs (1) vorstehenden Meißelwelle (4) festgelegt ist.
20. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß der Tieflochmotor (3) als bohrspülungs
betätigter Motor ausgebildet und das Außengehäuse (2) des
Richtbohrwerkzeugs (1) mit einem volumenstromabhängigen
Bypass-Ventil (24) für die Bohrsprülung versehen ist.
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