DE3902870A1 - Verfahren zum abteufen von bohrungen in unterirdische gesteinsformationen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Verfahren dieser Art (US-A-45 18 050, DE-PS 37 01 914), die auf einen optimalen Kerngewinn ausgerichtet sind, folgen die Hauptbohrlochabschnitte in ihrem Verlauf den als Pilotbohrung vorausgebohrten Kernbohrlochabschnit­ ten, wobei der jeweilige Kernbohrlochabschnitt durch das als Drehbohrkrone ausgebildete Hauptbohrwerkzeug auf den Nenndurchmesser des Hauptbohrwerkzeugs aufgebohrt wird. Hat das Hauptbohrwerkzeug im Zuge dieses Aufbohrens die Sohle des Kernbohrlochabschnittes erreicht, wird das Haupt­ bohrwerkzeug stillgesetzt und ein nächster Kernbohrlochab­ schnitt unter Kerngewinnung erbohrt, wobei sich die Länge eines Kernbohrlochabschnittes nach den Möglichkeiten der jeweils zum Einsatz kommenden Werkzeugkonstruktion richtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei verbessertem Bohrungsablauf eine zielgenaue Verlaufsvorgabe für das sich aus den Hauptbohrlochabschnitten zusammensetzende Hauptbohrloch ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestal­ tungen wird auf die Ansprüche 2 bis 11 verwiesen.

Das Verfahren nach der Erfindung hebt die Gemeinsamkeit des Verlaufes von Haupt- und der Kernbohrlochabschnitte auf und erbringt für das Hauptbohrloch eine unabhängige Verlaufsvorgabe, durch die es möglich ist, ein zu einem bestimmten Zielpunkt hin führendes, z.B. gerades, insbeson­ dere vertikales, oder auch aus geraden und bogenförmigen Bereichen zusammengesetztes Hauptbohrloch zu erstellen. Die Auflösung der Verlaufsbindung ermöglicht eine Optimie­ rung der Bohrarbeiten in den Hauptbohrlochabschnitten. Zudem können Verlaufsschwankungen durch unkontrollierte Richtungsablenkungen vermieden werden, die beim Bohren von Kernbohrlochabschnitten auftreten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeich­ nung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer durch das Verfahren nach der Erfindung in unterirdische Gesteinsformationen abgeteuften Bohrung mit einer in eine Ausschnittvergrößerung darge­ stellten ersten Ausführung eines erfindungsgemäß verwendeten Hauptbohrwerkzeugs,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschau­ lichung einer zweiten Ausführung eines er­ findungsgemäß verwendbaren Hauptbohrwerkzeugs in einer Ausschnittvergrößerung,

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 zur Veranschau­ lichung eines anderen Verlaufes der Hauptbohr­ lochachse,

Fig. 4 in einer Ausschnittvergrößerung eine schematische Darstellung des bei den Hauptbohrwerkzeugen nach Fig. 2 und 3 verwendeten, verstellbaren Lenkstabi­ lisators,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschau­ lichung einer ersten Ausführung eines erfindungs­ gemäß verwendbaren Kernbohrwerkzeugs in einer Ausschnittvergrößerung,

Fig. 6 in einer Ausschnittvergrößerung einen Querschnitt durch den unteren Bereich einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäß verwendbaren Kernbohrwerk­ zeugs,

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich Fig. 6 zur Veranschau­ lichung einer dritten Ausführung eines er­ findungsgemäß verwendbaren Kernbohrwerkzeugs, und

Fig. 8 in einem schematischen Querschnitt eine Darstellung einer vierten Ausführung eines erfindungsgemäß verwendbaren Kernbohrwerkzeugs.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Gewinnung von Bohrkernen als Gesteinsproben wird in der Regel zunächst mit Hilfe eines Hauptbohrwerkzeugs 1 oder 2 ein erster Hauptbohrlochabschnitt 4 bis hinab zu einer Tiefe gebohrt, von der ab die Gewinnung von Bohr­ kernen als Gesteinsproben erfolgen soll. Von der durch die Ebene 5 veranschaulichten Sohle des ersten Hauptbohr­ lochabschnitts 4 ausgehend wird nun mit Hilfe eines Richt­ bohrwerkzeugs 6, 7 oder 8 ein erster Kernbohrlochabschnitt 9 erbohrt, der im allgemeinen einen sich mehr oder weniger von selbst einstellenden, ausgelenkten Verlauf annimmt.

Nach Erbohren dieses ersten Kernbohrlochabschnitts 9 wird nunmehr wieder ausgehend von der Sohle 5 des ersten Haupt­ bohrlochabschnitts 4 der zweite Hauptbohrlochabschnitt 4 bis herab auf eine die Sohle des zweiten Hauptbohrlochab­ schnitts definierende Ebene 10 gebohrt, die zumindest an­ nähernd in Höhe der Sohlenebene des ersten Kernbohrlochab­ schnitts 9 gelegen ist. Danach wird wiederum mit einem Kernbohrwerkzeug 6, 7 oder 8 der zweite Kernbohrlochabschnitt 9 gebohrt, woran sich der Bohrvorgang für den nächsten Hauptbohrlochabschnitt 4 bis herab zu einer nächsten Sohlen­ ebene 11 anschließt. Auf diese Weise entsteht unter stän­ diger Kerngewinnung ein Hauptbohrloch 12, dessen Verlauf vom Verlauf jeweils vorausgebohrter Kernbohrlochabschnitte 9 unabhängig, z.B. gerade und vertikal, gestaltet werden kann.

Als Hauptbohrwerkzeug findet ein Lenkbohrwerkzeug 1 oder 2 mit Volldrehbohrmeißel 13 Verwendung, das jede beliebige bekannte oder geeignete Ausbildung haben kann. Bevorzugt findet ein durch oberirdisches Drehen oder Stillsetzen des Bohrrohrstranges 3 richtungssteuerbares Navigationsbohr­ werkzeug 1, 2 Verwendung, das ein ein- oder mehrmals geknicktes Gehäuse 14 aufweist, das sich mittels zwei oder mehr Stabilisatoren 15, 16 an der Bohrlochwandung abstützt und einen Tieflochmotor umschließt, auf dessen Austritts­ welle der Volldrehbohrmeißel 13 angebracht ist. Infolge der Gehäusegestaltung oder infolge einer Schräglagerung der Abtriebswelle des Tieflochmotors schließt dabei deren Drehachse 17 mit einer mit der Bohrlochachse zusammenfal­ lenden Hauptachse 18 des Gehäuses 14 oder eines benachbarten Gehäuseabschnitts einen kleinen spitzen Winkel ein. Navi­ gationsbohrwerkzeuge der vorbeschriebenen Art sind bei­ spielsweise aus den DE-PSen 34 03 239, 34 06 364, 34 17 743, 34 23 465) bekannt. Als Tieflochmotoren können von der Bohrspülung betriebene Moineau-Motoren oder Turbinen oder sonst geeignete oder bekannte Tieflochantriebsaggregate Verwendung finden.

Für ein Geradeausbohren wird das Navigationswerkzeug 1 mittels des Bohrrohrstranges 3 in langsame Umdrehung ver­ setzt. Zur Durchführung einer Richtungsänderung wird hin­ gegen das Navigationsbohrwerkzeug 1 mittels des Bohrrohr­ stranges in einer der gewünschten Richtung entsprechenden Lage gegen Eigendrehungen gesichert, wodurch bei weiterem Bohren das Bohrloch eine bogenförmige Ablenkung erhält.

Anstelle des Navigationsbohrwerkzeugs 1 kann auch ein selbst- oder fernlenkbares Vertikalbohrwerkzeug 2 Verwendung finden, das ein gerades Gehäuse 19 aufweist, auf dem nahe seinem unteren Ende ein fester Stabilisator 20 und nahe seinem oberen Ende ein Lenkstabilisator 21 angebracht ist.

Das Gehäuse 19 kann wiederum einen Tieflochmotor um­ schließen, auf dessen Abtriebswelle der Volldrehbohrmeißel 13 angebracht ist. Statt dessen ist es jedoch auch denkbar, den Volldrehbohrmeißel 13 mit dem unteren Ende des Gehäuses 19 zu verschrauben. In diesem Falle erhält der Volldrehbohr­ meißel 13 seinen Antrieb über das Gehäuse 19 und den Dreh­ bohrstrang 3 von übertage her unter Verwendung eines her­ kömmlichen Drehtisches auf dem Bohrturm 22. Im letzteren Falle ist zumindest der Längsstabilisator 21 relativ zum Gehäuse 19 frei drehbar abgestützt.

Der Lenkstabilisator 21 weist radial verstellbare und in ihren jeweiligen Radialstellungen fixierbare Stabilisator­ flügel 23, 24 auf, deren Verstellbarkeit in Fig. 2 und 3 durch die eingezeichneten Pfeile versinnbildlicht ist. Das Vertikalbohrwerkzeug 2 kann mit Hilfe einer geeigneten Selbststeuerung seiner Stabilisatorflügel 23, 24 nicht nur ein vertikales Hauptbohrloch 12 bohren, es kann auch, wie das Fig. 3 veranschaulicht, mit Hilfe einer geeigneten Fernsteuerung für seinen Lenkstabilisator 21 Richtungsbohr­ arbeiten ausführen.

Bei diesem Werkzeug entspricht der Hauptbohrlochdurchmesser dem Nenndurchmesser seines Volldrehbohrmeißels 13, während beim Navigationsbohrwerkzeug 1 beim Geradeausbohren der Hauptbohrlochdurchmesser den Nenndurchmesser des Volldreh­ bohrmeißels 13 geringfügig überschreitet.

Lenkstabilisatoren 21 geeigneter Ausbildung sind grundsätz­ lich bekannt, und es kann jede geeignete oder bekannte Ausgestaltung solcher Stabilisatoren Anwendung finden. Nur vollständigkeitshalber sei erwähnt, daß der Lenkstabili­ sator 21 über eine elektrische Stromquelle 25, über Rich­ tungssensoren 26 als Teil einer Steuer- oder Regelelektronik 27, gegebenenfalls mit Empfangsteil für einen obertägigen Signalgeber, und über eine Hydrauliksteuerung 28 verfügt, die unter Ansprechen auf die Steuer- oder Regelelektronik 27 die hydraulische Radialverstellung und Arretierung der Stabilisatorflügel 23, 24 bewirkt.

Die für Kernbohrarbeiten verwendeten Kernbohrwerkzeuge 6, 7 oder 8 werden jeweils im Austausch gegen ein vorangehend eingesetztes Hauptbohrwerkzeug 1, 2 mit dem Bohrrohrstrang 3 verbunden, wobei ein Werkzeugaustausch jeweils am Ende des Bohrvorganges für einen Hauptbohrlochabschnitt 4 bzw. einen Kernbohrlochabschnitt 9 erfolgt vorgenommen wird.

Bevorzugt findet als Kernbohrwerkzeug ein Seilkernbohrwerk­ zeug 6, 7, 8 Verwendung, wie das bei sämtlichen drei Beispie­ len in den Fig. 5 bis 8 vorgesehen ist. Darüber hinaus kommt bevorzugt ein Pilotkernbohrwerkzeug 6, 7 zum Einsatz, das wegen seiner besseren Stabilisierung der günstigeren Antriebsverhältnisse und einer stärkeren Durchmesserabstu­ fung den Vorzug gegenüber einen Seilkernbohrwerkzeug 8 genießt, wie es in Fig. 8 schematisch veranschaulicht ist. Das in Fig. 8 dargestellte Kernbohrwerkzeug 8 wird über einen Rohrstrangabschnitt 29 verringerten Durchmessers von übertage her angetrieben, der über ein besonderes Anschlußrohrstück 30 mit konischem Übergangsbereich 31 zum Ausgleich der Durchmesserdifferenz an den Bohrrohrstrang 3 angeschlossen ist. Die Kernbohrkrone 32 ist dabei unmit­ telbar mit dem unteren Ende eines Außenrohrs 33 verbunden, das Stabilisatoren 34 und 35 aufweist und die mittels Seil aufziehbare Inneneinheit 36 für die Aufnahme des erbohrten Kerns aufweist.

Das Pilotkernwerkzeug 6 in Fig. 5 umfaßt typischerweise ein mit Stabilisatoren 37, 38 versehenes Außenrohr 39, in dem eine einen Tieflochmotor umschließende Seilkernbohrein­ heit untergebracht ist, die verdrehfest, jedoch axial ver­ schieblich im Außenrohr 39 abgestützt ist und am unteren Ende eines Kernrohres 40 die Kernbohrkrone 32 trägt. Der nähere Aufbau eines derartigen Kernbohrwerkzeugs 6, das beispielsweise aus der DE-PS 37 01 914 bekannt ist, ist lediglich der Vollständigkeit halber in Fig. 6 schematisch näher veranschaulicht. Die als Ganzes aufziehbare Kernbohr­ einheit 41 umfaßt einen Tieflochmotor 42, der in einem Gehäuseteil 43 untergebracht ist, der sich verschieblich, aber unverdrehbar im Außengehäuse 39 abstützt. In dem über eine Lagervorrichtung 44 im Gehäuseteil 43 drehbar gelager­ ten Kernrohr 40 ist über eine Lagervorrichtung 45 ein Innen­ rohr 46 abgestützt, das den erbohrten Kern aufnimmt. Nach Abschluß eines Kernbohrvorganges wird zur Kerngewinnung die Einheit 41 aufgezogen und nach Kernentnahme wieder im Kernbohrwerkzeug 6 positioniert.

Eine abgewandelte Ausführung eines Pilotkernbohrwerks ver­ anschaulicht Fig. 7. Das Kernbohrwerkzeug 7 umfaßt eine aufziehbare Einheit 47, die in einem Außengehäuse 48 axial verschieblich, jedoch unverdrehbar abgestützt und geführt ist. Die Einheit 47 weist einen Gehäuseteil 49 auf, der im Bereich seines unteren Endes in das Kernrohr 50übergeht, das an seinem unteren Ende wiederum die Kernbohrkrone 32 trägt. In dem Gehäuseteil 49 ist über eine Lagereinheit 51 das den erbohrten Kern aufnehmende Innenrohr 52 frei drehbar gelagert. Bei dieser Ausführung erhält das Kernbohr­ werkzeug 7 seinen Drehantrieb über den Bohrrohrstrang 3 und das Außengehäuse 48 als alternative Antriebsform zur Werkzeugausführung nach Fig. 5 und 6.

Sowohl die Einheit 41, als auch die Einheit 47 können unter­ halb ihres Bereiches ihres Drehsicherungseingriffs mit dem Außenrohr 39 bzw. 48 eine Trennstelle mit einander zugewandten Anschlußmitteln aufweisen, zwischen die zumin­ dest ein rohrförmiges Verlängerungsstück für die Einheit einfügbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, Gesteinspro­ ben durch Kernbohrungen über eine erhebliche Formations­ strecke zu gewinnen, ohne daß nach jedem Erbohren eines Gesteinskerns das Hauptbohrloch nachgebohrt werden muß. Eine nähere Ausgestaltung eines solchen Werkzeugs veran­ schaulicht die deutsche Patentanmeldung P 38 25 225.2.

Eine solche Verlängerungsmöglichkeit ist auch bei dem Kern­ bohrrohr nach Fig. 8 gegeben, wo zwischen dem Übergangsstück 30 und dem Außenrohr 33 Verlängerungsstücke 53 eingefügt werden können.

Claims (11)

1. Verfahren zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Gewinnung von Bohrkernen als Gesteinsproben, bei dem nacheinander abwechselnd mit einem Hauptbohrwerkzeug (1; 2) Hauptbohrlochabschnitte (4) von Hauptbohrlochdurchmesser oder mit einem Kernbohrwerkzeug (6; 7; 8) jeweils von der Sohle eines Hauptbohrlochabschnitts (4) ausgehende Kernbohrlochabschnitte (9) von einem gegen­ über dem Hauptbohrlochdurchmesser verringerten Kernbohrloch­ durchmesser erbohrt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den Hauptbohrlochabschnitten (4) ein von einem Verlauf jeweils vorausgebohrter Kernbohrlochabschnitte (9) unabhän­ giger Verlauf vorgegeben, als Hauptbohrwerkzeug (1; 2) ein Lenkbohrzeug mit Volldrehbohrmeißel verwendet und für Kern­ bohrarbeiten das Hauptbohrwerkzeug (1, 2) gegen ein geson­ dertes Kernbohrwerkzeug (6; 7; 8) ausgewechselt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus den Hauptbohrlochabschnitten (4) gebildeten Hauptbohrloch (12) ein im wesentlichen gerader Verlauf vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bohrlochachse des Hauptbohrloches (12) eine im wesentlichen vertikale Ausrichtung vorgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrmeißel (13; 32) des Haupt­ und/oder des Kernbohrwerkzeugs (1, 2; 8) von einem oberirdisch in Umlauf versetzbaren Bohrrohrstrang angetrieben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrmeißel (13; 32) des Haupt­ und/oder des Kernbohrwerkzeugs (1; 2; 6, 7) durch einen Tief­ lochmotor angetrieben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt- und/oder das Kern­ bohrwerkzeug (1, 2; 6, 7, 8) an einem oberirdisch wahlweise in Drehung versetzbaren oder gegen Drehung festsetzbaren Bohrrohrstrang (3) angebracht sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbohrwerkzeug ein Seilkernbohr­ werkzeug (6; 7; 8) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbohrwerkzeug ein Pilotkernbohr­ werkzeug (6; 7) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbohrwerkzeug (8) von einem Rohrstrangabschnitt (29) verringerten Durchmessers angetrie­ ben wird, der über ein Anschlußrohrstück (30) mit konischem Übergangsbereich (31) an den Bohrrohrstrang (3) angeschlos­ sen ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptbohrwerkzeug ein durch oberir­ disches Drehen oder Stillsetzen des Bohrrohrstranges rich­ tungssteuerbares Navigationsbohrwerkzeug (1) verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptbohrwerkzeug ein lenkbares Vertikalbohrwerkzeug (2) verwendet wird.