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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Bohrkopf zur Verwendung in Kombination mit einem
Bohrstrang zum Bohren eines Bohrloches in einer Erdformation. In
der Praxis des Bohrens von Bohrschächten ist es manchmal erforderlich,
einen unteren Abschnitt eines Bohrloches mit einem größeren Durchmesser
als dem Durchmesser des oberen Abschnittes des Bohrloches zu bohren.
Dies ist beispielsweise der Fall bei Anwendungen, bei denen ein Abschnitt
des Bohrloches nachgebohrt oder eine Verengung des Bohrloches in
Richtung nach unten vermieden werden soll. In der konventionellen
Praxis werden Bohrlöcher
schrittweise mit abnehmendem Durchmesser in Richtung nach unten
gebohrt. Dies ist normalerweise eine Folge des Auskleidungs- oder Futterprogrammes,
bei welchem Auskleidungs- oder Futterabschnitte mit schrittweise
abnehmendem Durchmesser in dem Bohrloch installiert werden. Bei einer
solchen Anordnung erstreckt sich jeder nächste untere Auskleidungs-
oder Futterabschnitt durch einen vorher installierten Abschnitt.
Deshalb muß der obere
Abschnitt des Bohrloches mit einem signifikant größeren Durchmesser
als die unteren Abschnitte des Bohrloches gebohrt werden, wodurch
die Kosten der Bohrung erhöht
werden.
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In der konventionellen Praxis werden
bi-zentrierte Bohrköpfe
verwendet, um relativ großdurchmeßrige Bohrlochabschnitte
zu bohren, während
solche Bohrköpfe
noch immer durch die engeren Abschnitte des Bohrloches hindurchgehen
können. Bi-zentrierte
Bohrköpfe
bohren jedoch nicht immer gleichmäßig, und es gibt häufig Probleme,
wenn sie längere
Bohrlochabschnitte durchsetzen müssen.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen
verbesserten Bohrkopf zu schaffen, welche die Nachteile der Bohrköpfe nach
dem Stand der Technik vermeidet.
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Es ist außerdem erwünscht, einen Bohrkopf zu schaffen,
der befähigt
ist, ein bestehendes Bohrloch nachzubohren und der re lativ großdurchmeßrige Bohrlochabschnitte
bohren kann, während
er imstande ist, relativ kleindurchmeßrige Bohrlochabschnitte zu
durchsetzen.
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Die US-A-5,186,265 offenbart einen
Rotary-Bohrkopf zum Bohren eines Bohrloches in eine Erdformation,
mit:
- – einem
Bohrkopfkörper,
der mit Mitteln zum Verbinden des Bohrkopfes mit einem Bohrstrang
versehen ist, wobei der Bohrkopf während des Bohrens mit dem Bohrstrang
und dem an diesem befestigten Bohrkopf eine Längsdrehachse hat; und
- – einem
Schneidelement, das an seiner Außenfläche mit Schneidmitteln versehen
ist, wobei das Schneidelement relativ zu dem Bohrkopfkörper zwischen
einer ersten Drehposition und einer zweiten Drehposition drehbar
ist, wobei die Schneidmittel in einer größeren Radialentfernung von
der Längsdrehachse
angeordnet sind, wenn sich das Schneidelement in der zweiten Drehposition
befindet, als wenn sich das Schneidelement in der ersten Drehposition
befindet.
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Gemäß der Erfindung wird ein Rotary-Bohrkopf
zum Bohren eines Bohrloches in eine Erdformation geschaffen, mit:
- – einem
Bohrkopfkörper,
der mit Mitteln zum Verbinden des Bohrkopfes mit einem Bohrstrang
versehen ist, wobei der Bohrkopf während des Bohrens mit dem Bohrstrang
und dem an diesem befestigten Bohrkopf eine Längsdrehachse hat; und
- – einem
Schneidelement, das an seiner Außenfläche mit Schneidmitteln versehen
ist, wobei das Schneidelement relativ zu dem Bohrkopfkörper zwischen
einer ersten Drehposition und einer zweiten Drehposition drehbar
ist, wobei die Schneidmittel in einer größeren Radialentfernung von der
Längsdrehachse
angeordnet sind, wenn sich das Schneidelement in der zweiten Drehposition
befindet, als wenn sich das Schneidelement in der ersten Drehposition
befindet.
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Hierdurch wird erreicht, daß durch
Drehung des Schneidelementes aus der ersten Drehposition in die
zweite Drehposition der Schneiddurchmesser des Bohrkopfes zunimmt.
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Bei einer attraktiven Anwendung wird
der Bohrstrang mit dem an diesem befestigten Bohrkopf durch eine
Auskleidung eines oberen Bohrlochabschnittes in einen nicht ausgekleideten
unteren Bohrlochabschnitt abgesenkt, während sich das Schneidelement
in der ersten Drehposition befindet. Danach wird ein weiterer Bohrlochabschnitt
gebohrt, wobei sich das Schneidelement in der zweiten Drehposition befindet,
so daß der
Durchmesser des neu gebohrten Abschnittes größer als der Innendurchmesser
der Auskleidung ist, durch welche der Bohrkopf abgesenkt worden
ist. Ein neuer Auskleidungsabschnitt wird dann durch den oberen
Auskleidungsabschnitt in den unteren Bohrlochabschnitt abgesenkt,
wobei der neue Auskleidungsabschnitt gegen die Bohrlochwand aufgeweitet
wird. Somit kann der Bohrlochdurchmesser in Richtung nach unten
unverändert bleiben.
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Vorzugsweise ist das Schneidelement
so angeordnet, daß das
Schneidelement aus der ersten in die zweite Drehposition rotiert
und zumindest eine Komponente der Drehung des Schneidelementes eine
Richtung hat, die mit der Drehrichtung des Bohrstranges koinzidiert.
Dies hat den Effekt, daß während des
Bohrens die Widerstandskräfte,
die von der Bohrlochwand auf das Schneidelement ausgeübt werden,
bestrebt sind, das Schneidelement in die erste Drehposition zu bewegen,
so daß ein
unerwünschtes Öffnen des
Schneidelementes in seine zweite Drehposition unter der Wirkung
solcher Widerstandskräfte
verhindert wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das Schneidelement so angeordnet, daß es aus der ersten in die
zweite Drehposition um eine Drehachse dreht, die sich im wesentlichen
parallel und radial versetzt zur Längsdrehachse erstreckt und
in der gleichen Richtung wie die Drehrichtung des Bohrstranges während des
Bohrens mit dem Bohrkopf.
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Vorteilhaft ist das Schneidelement
relativ zum Bohrkopfkörper
zwischen einer ersten Axialposition und einer zweiten Axialposition
axial bewegbar, wobei in der ersten Axialposition das Schneidelement
näher dem
unteren Ende des Bohrkopfes als in der zweiten Axialposition ist,
und wobei der Bohrkopfkörper
und das Schneidelement mit zusammenwirkenden Führungselementen zum Führen des Schneidelementes
aus der ersten Drehposition in die zweite Drehposition bei einer
Bewegung des Schneidelementes aus der ersten Axialposition in die
zweite Axialposition versehen sind. Somit kann das Schneidelement
beispielsweise durch Aufbringen eines Gewichtes auf den Bohrstrang
infolge des Absenkens des Bohrstranges aus der ersten in die zweite
Drehposition bewegt werden, wobei die von der Bohrlochwand ausgeübten Widerstandskräfte das
Schneidelement dazu veranlassen, sich aus der ersten in die zweite
Axialposition zu bewegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Bewegung
durch Betätigen eines
hydraulischen Antriebes erreicht werden, der in dem Bohrstrang eingebaut
ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter und
an einem Beispiel beschrieben, unter Bezugnahme auf die angeschlossenen
Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene schematische Längsansicht eines Ausführungsbeispieles
des Bohrkopfes gemäß der Erfindung
in einem ersten Betriebszustand;
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2 eine
teilweise geschnittene schematische Längsansicht eines Schneidelementes,
das bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 verwendet wird;
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3 eine
teilweise geschnittene schematische Längsansicht des Ausführungsbeispieles
nach 1 in einem zweiten
Betriebszustand; und
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4 schematisch
eine teilweise Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform
des Bohrkopfes gemäß der Erfindung,
wobei das Schneidelement entfernt worden ist.
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In den Figuren sind gleiche Teile
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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In den 1 und 3 ist ein Bohrkopf 1 zur
Verwendung in Kombination mit einem Bohrstrang (nicht gezeigt) zum
Bohren eines Bohrloches in eine Erdformation dargestellt, wobei
der Bohrkopf eine Längsdrehachse 2 hat,
die mit der zentralen Längsachse des
Bohrstranges während
des Bohrens mit dem Bohrkopf und dem Bohrstrang zusammenfällt. Der Bohrkopf 1 hat
einen Bohrkopfkörper 3 mit
im wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt, der mit einem Verbinder 4 zum Anschluß des Bohrkopfes 1 an
den Bohrstrang versehen ist. Der Bohrkopf 1 weist außerdem einen
rohrförmigen
Schaft 6 auf, der an den Bohrkopfkörper 3 gegenüber dem
Verbinder 4 seitlich angeschlossen ist, wobei der Schaft
eine zentrale Längsachse 8 hat,
die sich im wesentlichen parallel zur Drehachse 2 erstreckt.
Somit erstreckt sich der Schaft 6 exzentrisch relativ zu
dem Bohrstrang, wenn der Bohrkopf an den Bohrstrang durch den Verbinder 4 angeschlossen
ist. Ein Pilotkopf 10, der mit Schneideinsätzen 11 versehen
ist, ist an dem Schaft 6 an dem dem Bohrkopfkörper 3 entgegengesetzten Ende
angeschlossen. Der Pilotkopf 10 hat im wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt
mit einem Durchmesser, der geringfügig größer als der Durchmesser des
Bohr kopfkörpers 3 ist,
und hat eine zentrale Längsachse 12,
die mit der Längsdrehachse 2 koinzidiert.
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Ein Schneidelement 14 ist
zwischen dem Bohrkopfkörper 3 und
dem Pilotkörper 10 angeordnet,
welches Schneidelement 14 mit einer Längsbohrung 16 versehen
ist, durch welche sich der Schaft 6 auf eine Weise erstreckt,
die eine Drehung und Axialbewegung des Schneidelementes 14 relativ
zum Schaft 6 gestattet. Das Schneidelement 14 hat
einen im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt und ist mit einer Vielzahl von Schneideinsätzen 18 versehen, die
an der Außenfläche des
Elementes angeordnet sind, wobei der Außendurchmesser des Schneidelementes
14 im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Pilotkopfes 10 ist.
Die Bohrung 16 ist exzentrisch in dem Schneidelement 14 angeordnet,
so daß in
einer ersten Drehposition desselben relativ zum Bohrkopfkörper 3 das
Schneidelement 14 im wesentlichen mit dem Pilotkopf 10 ausgerichtet
ist (1), wogegen in
einer zweiten Drehposition desselben relativ zum Bohrkopfkörper 3 das
Schneidelement 14 von dem Pilotkopf 10 (3) radial versetzt ist. Nachfolgend
wird die erste Drehposition auch als Rückzugsposition und die zweite
Drehposition als Ausfahrposition bezeichnet. Das Schneidelement 14 ist
in der Ausfahrposition um 180° gegenüber der Rückzugsposition
gedreht. Für
die Exzentrizität
des Schneidelementes 14 relativ zum Pilotkopf 10 bedeutet
dies, daß in
der Rückzugsposition
die Exzentrizität nicht
vorhanden ist, wogegen in der Ausfahrposition die Exzentrizität am größten ist.
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Außerdem ist das Schneidelement 14 in
Axialrichtung entlang des Schaftes 6 zwischen einer ersten
Axialposition und einer zweiten Axialposition bewegbar, wobei in
der ersten Axialposition das Schneidelement 14 nahe dem
Pilotkopf positioniert ist und in der zweiten Axialposition das
Schneidelement 14 von dem Pilotkopf entfernt positioniert
ist.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 2 ist die Bohrung 16 des
Schneidelementes 14 mit einem Wendelgewinde 20 versehen,
das sich über
die gesamte Länge
der Bohrung erstreckt. Das Gewinde 20 ist detaillierter
in 2 dargestellt, welche
das Schneidelement 14 vom Schaft entfernt zeigt. Der Schaft 6 ist
mit einer Anzahl von Vorsprüngen
in Form von Nasen 22 versehen (von denen nur einer gezeigt
ist), die sich in das Wendelgewinde 20 erstrecken. Die
Orientierung des Gewindes 20 ist derart, daß bei einer
Drehung des Schneidelementes 14 aus der Rückzugsposition
in die Ausfahrposition in einer Richtung, in welcher der Bohrstrang
während
des normalen Bohrens rotiert, das mit diesem zusammenwirkenden Gewinde 20 und
die Nasen 22 das Schneidelement aus der ersten Axialposition
in die zweite Axialposition überführen. Eine
Wendelfeder 23 ist zwischen dem Bohrkopfkörper 3 und
dem Schneidelement 14 angeordnet, um das Schneidelement 14 in
die erste Axialposition desselben vorzuspannen.
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Die Bohrung 16 hat einen
großdurchmeßrigen Abschnitt 24 an
der Seite des Pilotkopfes 10 und einen kleindurchmeßrigen Abschnitt 26 an
der Seite des Bohrkopfkörpers 3,
mit einer Ringschulter 28 zwischen dem großdurchmeßrigen Abschnitt 24 und dem
kleindurchmeßrigen
Abschnitt 26. Ähnlich
hat der Schaft einen großdurchmeßrigen Abschnitt 30, der
sich in den großdurchmeßrigen Abschnitt 24 der Bohrung
erstreckt, und einen kleindurchmeßrigen Abschnitt 32,
der sich in den kleindurchmeßrigen
Abschnitt 26 der Bohrung erstreckt, wobei eine Ringschulter 33 zwischen
dem großdurchmeßrigen Abschnitt 30 und
dem kleindurchmeßrigen
Abschnitt 32 vorhanden ist. Die Relativposition der Ringschultern 28, 33 ist
derart, daß in
der ersten Axialposition des Schneidelementes 14 ein relativer
kleiner Ringraum 34 zwischen den Schultern 28, 33 geformt
ist. Die Bohrung 16 ist relativ zum Schaft 6 durch
Ringdichtungen 36, 38 abgedichtet, die entlang
der Bohrung 16 angeordnet sind. Der Bohrkopf ist mit einem
Bohrfluiddurchgang 40 für
die Zufuhr von Bohrfluid zu konventionellen Düsen 42 versehen, die
in dem Pilotkopf 10 angeordnet sind, wobei sich der Durchgang 38 durch
den Schaft 6 erstreckt und in Fluidverbindung mit dem Raum 34 über zwei Öffnungen 44 steht,
die in der Wand des Schaftes 6 vorgesehen sind.
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In 4 ist
zum Teil ein alternatives Ausführungsbeispiel
des Bohrkopfes gezeigt, bei welchem der Schaft 6 mit einem
Wendelgewinde 50 und das Schneidelement (nicht gezeigt)
mit einer Nase versehen ist, die sich in das Gewinde 50 erstreckt,
so daß das
Gewinde 50 und die mit diesem zusammenwirkende Nase das
Schneidelement dazu veranlassen, sich mit einer Rechtsdrehung relativ
zum Bohrkopfkörper 3 (von
der Oberseite des Schneidkopfes gesehen) während einer Axialbewegung des
Schneidelementes entlang des Schaftes 6 nach oben zu bewegen.
Es sei bemerkt, daß der
(nicht gezeigte) Bohrstrang während
des Bohrens ebenfalls in Richtung nach rechts rotiert. Ein kurzer
oberer Abschnitt 52 des Gewindes 50 wechselt die
Orientierung, so daß das
Schneidelement in Linksrichtung relativ zum Bohrkopfkörper 3 rotiert,
wenn die Nase in den Gewindeabschnitt 50 eintritt.
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Das untere Ende des Bohrkopfkörpers 3 ist mit
einer Reihe von primären
Zähnen 54 versehen, und
das obere Ende des Schneidelementes ist mit einem entsprechenden
Satz von sekundären
Zähnen (nicht
gezeigt) versehen. Die beiden Zahnsätze ermöglichen in gegenseitigem Eingriff
eine Rechtsdrehung und verhindern eine Linksdrehung des Schneidelementes
relativ zum Bohrkopfkörper 3.
Außerdem ist
die Anordnung des Gewindes 50, der Nase und der beiden
Sätze von
Zähnen
derart getroffen, daß die
Zahnsätze
miteinander in Eingriff sind, wenn die Nase im oberen Gewindeabschnitt 52 anlangt.
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Während
des Normalbetriebes des Ausführungsbeispieles
nach den 1–3 ist der Bohrkopf 1 mit
dem Bohrstrang 2 über
den Verbinder 4 verbunden, und der Bohrstrang wird in das
Bohrloch (nicht gezeigt) abgesenkt, welches in der Erdformation
ausgebildet ist. Das Bohrloch ist bis zu einer bestimmten Tiefe
ausgekleidet worden, so daß sich
ein nicht ausgekleideter Bohrlochabschnitt unterhalb der Auskleidung
erstreckt, und der Innendurchmesser der Auskleidung kleiner als
der Durchmesser des nicht ausgekleideten Bohrlochabschnittes ist.
Das Absenken wird fortgesetzt, bis der Bohrkopf 1 in dem
nicht ausgekleideten Bohrlochabschnitt positioniert ist, wobei während des
Absenkens die Feder das Schneidelement 14 in der ersten
Axialposition und in der zugeordneten Rückzugs-Drehposition (1) hält, so daß der Bohrkopf 1 in
die Auskleidung paßt.
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Nachdem der Bohrkopf 1 in
dem nicht ausgekleideten Bohrlochabschnitt positioniert ist, wird Bohrfluid
durch den Bohrfluiddurchgang 40 gepumpt, und der Bohrkopf
wird rotiert, um das Bohren eines weiteren Bohrlochabschnittes zu
beginnen. Beim Pumpen von Bohrlochfluid durch den Durchgang 40 wird
das Bohrlochfluid durch die Öffnungen 44 in
den Ringraum 34 gepumpt. Als Ergebnis steigt der Fluiddruck
auf die Ringschulter des Schneidelementes 14, und dadurch
spannt der Fluiddruck das Schneidelement 14 in die zweite
Axialposition und die zugeordnete Ausfahr-Drehposition vor. Somit
wirken die Bohrung 16 und der Schaft 6 beim Aufbringen
von Fluiddruck in dem Fluiddurchgang 14 als hydraulischer Antrieb
zum Bewegen des Schneidelementes 14 aus der ersten Axialposition
in die zweite Axialposition. Der Bohrkopf 1 mit dem Schneidelement 14 in
der Ausfahr-Drehposition und in der zweiten Axialposition ist in 3 gezeigt.
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Eine unkontrollierte Bewegung des
Schneidelementes 14 aus der Rückzugsposition in die Ausfahrposition
infolge von Widerstandskräften
von der Bohrlochwand her wird durch die Orientierung des Gewindes 20 verhindert,
derart, daß das
Schneidelement 14 in der Drehrichtung des Bohrstranges
aus der Rück zugs-
in die Ausfahrposition dreht. Dabei tendieren die Widerstandskräfte dazu,
das Verschlußelement 14 in
die Rückzugsposition
zu bewegen.
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Die Bewegung des Schneidelementes 14 aus
der ersten Axialposition in die zweite Axialposition wird durch
entsprechende Anschlagflächen
(nicht gezeigt) begrenzt, die im Gewinde 20 vorgesehen sind,
was eine weitere Axial- und Drehbewegung des Schneidelementes 14 verhindert.
In dieser Position befindet sich das Schneidelement 14 mit
maximaler Exzentrizität
relativ zum Pilotkopf 10. Die Drehung des Rohrstranges
wird fortgesetzt, und als Ergebnis wird das Bohrloch auf einen größeren Durchmesser als
der Innendurchmesser der Auskleidung weitergebohrt, durch welchen
der Bohrstrang abgesenkt worden ist.
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Sobald das Bohren des neuen Bohrlochabschnittes
beendet ist, wird die Drehung des Bohrkopfes stillgesetzt, und das
Pumpen von Bohrfluid wird ebenfalls stillgesetzt. Das Schneidelement 14 ist dann
nicht länger
in die zweite Axialposition vorgespannt, und die Feder bewirkt eine
Bewegung des Schneidelementes 14 zurück in die erste Axialposition
und in die damit verbundene Rückzugs-Drehposition.
Der Bohrstrang kann nun aus dem Bohrloch durch die vorher installierte
Auskleidung hindurch entfernt werden.
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Nachfolgend wird ein neuer Auskleidungsabschnitt
durch die vorher installierte Auskleidung abgesenkt, welcher Auskleidungsabschnitt
offensichtlich einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser
der vorher installierten Auskleidung hat. Nachdem der Auskleidungsabschnitt
in dem neu gebohrten Bohrlochabschnitt angelangt ist, wird der neue
Auskleidungsabschnitt auf bekannte Weise auf einen Durchmesser expandiert,
der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der früher installierten
Auskleidung ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Innendurchmesser
der Auskleidung im Bohrloch mehr oder we niger über die Tiefe des Bohrloches konstant
bleibt, im Gegensatz zu einer ineinander geschobenen Anordnung von
Auskleidungen, wie sie in konventionellen Bohrlöchern vorhanden ist.
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Der Normalbetrieb der alternativen
Ausführungsform
ist ähnlich
dem Normalbetrieb der Ausführungsform
nach den 1–3, außer, daß während der Aufwärtsbewegung
des Schneidelementes entlang des Schaftes 6 die Nase des
Schneidelementes in dem kürzeren
Gewindeabschnitt 52 anlangt und dadurch die Drehung des
Schneidelementes relativ zum Bohrkopfkörper 3 von rechts
auf links ändert. Dadurch
kommen die Zähne
des Schneidelementes mit den Zähnen 54 des
Bohrkopfkörpers 3 fest
in Eingriff, so daß das
Schneidelement gegen unerwünschte
Linksdrehung des Schneidelementes relativ zum Bohrkopfkörper 3 während des
weiteren Bohrens des Bohrloches (wobei der Bohrstrang mit Rechtsdrehung
rotiert) festgelegt ist.
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Statt der Anwendung der vorerwähnten Nasen
zur Führung
des Schneidelementes entlang des Schaftes kann der Schaft zweckmäßig mit
einem oder mehreren Gewinden versehen werden, die hinsichtlich Zahl
und Orientierung den Gewinden des Schneidelementes derart entsprechen,
daß sich
jedes Gewinde des Schaftes entgegengesetzt zu einem entsprechenden
Gewinde des Schneidelementes erstreckt, und wobei sich ein oder
mehrere Lagerkugeln in gegenüberliegende
Gewinde erstrecken.