DE60317483T2 - Verfahren und vorrichtung zum richtungsbohren von bohrlöchern - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gerichteten Abwärtsbohren, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
• Zum gerichteten Bohren in Fels, dem Stollenbau oder dem Sprenglochbohren und dem Bohren von Tiefbohrlöchern wird ein Bohrträger in Form eines Wickelrohrs verwendet, was bedeutet, dass anstelle einer Reihe von herkömmlichen starren Bohrrohren ein biegsames durchgehendes Bohrrohr mit einem proximalen und einem distalen Ende verwendet wird. Der biegsame Bohrträger wird von einer Spule abgewickelt und nach und nach in das Bohrloch eingeführt. Um einen Bohrstrang zu bilden, wird eine durchgehende Bottom-Hole-Assembly (BHA), die eine Bohrmaschine enthält, am distalen Ende des Bohrträgers befestigt. Ein Schlagwerk in der Form eines fluiddruckbetriebenen Hammers oder einer ähnlichen sich hin- und herbewegenden Masse ist auf der Bohrmaschine angeordnet, um eine an der Bohrmaschine befestigte Bohrspitze axial an der gegenüberliegenden Felsoberfläche anzusetzen. Die Bottom-Hole-Assembly (BHA) enthält in der Regel eine Art von Positionierungseinrichtung, die sogenannte Messung beim Bohren (Measurement While Drilling, MWD). Ein für die in der BHA enthaltenen Motoren vorgesehenes Antriebsfluid wird durch einen durch den Bohrträger verlaufenden Durchgang geleitet. Der Felsabtrag wird aus dem bearbeiteten Bereich und aus dem Bohrloch mit dem verwendeten Antriebsfluid wegtransportiert.
• Um die Kontaktpunkte der Bohrspitzenansätze zu wechseln und sie im angeschnittenen Felsen einsetzbar zu machen, muss die Bohrmaschine umgesetzt oder zwischen jedem Schlag der Bohrspitze schrittweise um ihre Achse gedreht werden. Dies wird in der Regel durch das Drehen oder Verdrehen des biegsamen Bohrträgers mit einer Art von Drehanordnung erreicht, die sich außerhalb des Bohrlochs befindet.
• Zur Richtungssteuerung der Bohrspitze im Bohrloch ist ein lenkbarer Motor in der BHA angeordnet, der die Bewegung über ein Kreuzgelenk oder ein anderweitig geeignetes biegsames Teil überträgt, so dass die Bohrspitze im Bezug zum Bohrträger verschiedene Winkel einnehmen kann. Die BHA bildet in der Regel einen fluidbetriebenen Motor in Form eines sogenannten Schlammmotors, der, wie die anderen Motoren in der BHA, mit einem Antriebsfluid durch einen durch den Bohrträger verlaufenden Durchgang versorgt wird.
• Beim Bohren tiefer Löcher kann auf Grund der Drehung des Bohrträgers, der an seinem proximalen Ende durchgehend oder gleichförmig ist, ein sogenannter "Stick-Slip" auftreten, wodurch er am distalen Ende unregelmäßig wird, so dass der Bohrträger wie eine Torsionsfeder agiert, anstatt die Bohrmaschine gleichmäßig zwischen den Schlägen des Schlagwerks umzusetzen. Dies bedeutet, dass die Bohrmaschine für mehrere Schläge stillsteht und Drehmoment anhäuft, bevor sie unkontrollierbar mit sehr schneller Drehung wegläuft. Dieser "Stick-Slip"-Effekt senkt die Bohrgeschwindigkeit und erhöht den Verschleiß der Bohrspitze.
• US 5,339,913 legt ein Ausrichtwerkzeug für Abwärtsbohrungen offen, zur Verwendung mit einem nicht drehbaren Bohrstrang, um eine Bohrspitze zum Bohren einer Tiefenlochbohrung in einer gewünschten Richtung auszurichten.
• Ein wesentlicher Unterschied zwischen einer herkömmlichen linearen Bohrung mit einem Bohrträger, der eine Reihe von verbindbaren Bohrrohren umfasst, und einem biegsamen Bohrrohr des Wickelrohrtyps ist, dass die Verwendung eines biegsamen Bohrträgers nur eine relativ geringe Anwendungskraft auf die Bohrspitze erlaubt, die die Effizienz des Bohrverfahrens erheblich verringert. Im Besonderen ist diese Einschränkung beim gerichteten Bohren gekrümmter Bohrlöcher relevant, da ein großer Teil der Anwendungskraft in jedem Teil des Bohrrohrs, das gekrümmt ist, verloren geht. Das Problem entsteht teils durch geometriebedingte Faktoren, aber teils auch durch hohe statische Reibungskräfte, die an jedem gebogenen Teil des Bohrträgers entstehen. Hier versteht es sich, dass die oben genannten Probleme größer werden, wenn der Krümmungsradius kleiner wird.
• In letzter Zeit hat sich der Einsatz des gerichteten Bohrens zunehmend verbreitet, der höhere Anforderungen an die Effizienz der Ausstattung stellt und im Besonderen, wenn Serien von nicht-linearen Bohrlöchern, wie gekrümmte oder schiefe Bohrlöcher, gebohrt werden. Ein Beispiel sind hier Fälle, in denen es erforderlich ist, das Bohren in nicht erzhaltigen Fels zu vermeiden, sondern die Bohrrichtung wirksam direkt in Richtung der erzhaltigen Teile des Felsens zu steuern.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, das Auftreten von "Stick-Slips" während dem gerichteten Bohren zu minimieren, im Besonderen beim Bohren gekrümmter Bohrlöcher mit kleinem Radius, da die Reibungskräfte, die hierdurch zwischen dem biegsamen Bohrträger und dem Felsen oder der Wand des Bohrlochs entstehen, sehr hoch werden, wenn der Bohrträger zum Umsetzen der Bohrmaschine gedreht wird.
• Die Ziele der Erfindung können mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden, die die unterscheidenden Merkmale und Kennzeichen aufweist, die in den Ansprüchen angegeben sind.
• Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung der Erfindung mit Bezugnahme auf die einzige angefügte Zeichnung, die eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
• Bezugnehmend auf 1 wird hier ein Beispiel der Ausstattung gezeigt, die gemäß der Erfindung zum gerichteten Bohren im Übergang von einem vertikalen Abschnitt 1 in einen horizontalen Abschnitt 2 bei einem Bohrloch 3 in einem Felsen verwendet wird. An dem distalen Ende eines rohrförmigen biegsamen Bohrträgers 4 des sogenannten "'Wickelrohrtyps" ist eine Bottom-Hole-Assembly (BHA) angebracht, die allgemein mit 5 bezeichnet wird. 6 bezeichnet eine Trommel, auf der der biegsame Bohrträger 4 aufgewickelt ist und 7 ein Mittel zum Zuführen des Bohrträgers nach unten in ein schrittweise ausgebildetes Bohrloch.
• Um etwas auszubilden, das nachfolgend als Bohrstrang bezeichnet wird, umfasst die Bottom-Hole-Assembly 5, von dem distalen Ende des Bohrträgers her gesehen, ein Schlagwerk 8, eine Positionierungseinrichtung 9 oder eine so genannte "Messung beim Bohren" (Measurement While Drilling, MWD), ein Steuermittel 10 in Form eines Motors zum Neigen oder Einstellen der Position der Baugruppe, ein Umsetzmittel 11 und eine Bohrmaschine 12 mit einer Bohrspitze 13. Das Umsetzmittel 11 dient dazu, die Bohrmaschine schrittweise um die Hauptachse der in der Bohrrichtung verlaufenden Bohrspitze zu drehen und ist primär von einer geeigneten herkömmlichen Gestaltung wie andere in der Baugruppe enthaltene Einheiten, wie das Schlagwerk, die MWD-Ausstattung und die Bohrmaschine.
• Rein von einem Konstruktionsgesichtspunkt aus betrachtet, kann das Umsetzmittel 11 auf mehrere verschiedene Arten ausgestaltet werden und umfasst in der hier beschriebenen Ausführungsform einen drehbaren Fluidmotor des Schlammtyps und eine motorbetriebene Ventilanordnung, die dazu dient, die gesamte Bohrmaschine zwischen jedem Schlag bis zu einem bestimmten Winkel (Umsetzung) zu drehen. Im Betrieb fließt ein Antriebsfluid, das eine Mischung mit Wasser oder eine Aufschlämmung von Bentonitlehm in Wasser enthält, durch den Motor, der wiederum die Ventilanordnung antreibt. Die Ventilanordnung ist in einer bekannten Weise so ausgestaltet und abgeglichen, dass eine Veränderung des Antriebfluids, das durch den Motor läuft, zu einer Änderung im Flussgleichgewicht durch die Ventilanordnung führt, die wiederum so mit einem Motor oder einem ähnlichen Antrieb verbunden ist, der im Umsetzmittel enthalten ist, dass die Bohrmaschine 12 durch Einwirkung des Motors bis zu einem bestimmten Winkel gedreht wird.
• Auf ähnliche Weise sind die anderen in der Bottom-Hole-Assembly enthaltenen Einheiten mit Motoren und Ventilanordnungen ausgestattet, die dazu ausgestaltet sind, durch Änderung des Flusses des durch den Motor fließenden Antriebsfluids zu steuern und zu regulieren.
• Im Betrieb erzeugt das Schlagwerk 8 eine Hin- und Herbewegung in axialer Richtung, die an eine Bohrmaschine übertragen wird, so dass die hierin angeordnete Bohrspitze 13 eine Bohrbewegung gegen die gegenüberliegenden Felsoberfläche erhält. Die Bohrspitze 13 wird schrittweise in das Bohrloch über ein Zufuhrmittel 7 eingeführt, während sie mit einer gewissen Kraft an die gegenüberliegende Felsoberfläche angelegt wird. Das Zufuhrmittel 7 hält das proximale Ende des Bohrträgers in schneller Verdrehung gegen alle Verdrehungskräfte, die im Bohrloch 3 auftreten. Normalerweise wird die Bohrspitze 13 auf diese Weise in linearer Richtung nach vorne in das Bohrloch getrieben. Auf herkömmliche Weise wird eine Richtungssteuerung der Bohrspitze 13 durch die Einwirkung des Steuermittels 10 mit Motor und des damit verbundenen justierbaren Gelenkstücks durchgeführt, wobei die Richtung mit einer Ausstattung zur Messung beim Bohren (MWD) geprüft werden kann.
• Damit die axial sich hin- und herbewegenden Ansätze der Bohrspitze 13 durchgehend auf unbehandeltem Felsen einwirken, muss die Bohrspitze umgesetzt oder bei jedem Schlag in geeigneten Schritten um die Bohrachse gedreht werden. Unter Verwendung bekannter Technologie kann dies durch ein Drehmittel erreicht werden, dass sich außerhalb des Bohrlochs befindet.
• Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung wird das Umsetzen aber in enger Verbindung mit der Bohrmaschine durch ein fluidbetriebenes Umsetzmittel 11 verwirklicht, das durch einen im Umsetzmittel enthaltenen Motor fließt. Das Umsetzmittel 11 ist derart mit dem Schlagwerk synchronisiert, dass das Umsetzen und Drehen der Bohrmaschine 12 dabei erfolgt, dass die Bohrspitze 13 sich von der Felsoberfläche wegbewegt. Wenn das Umsetzen in enger Verbindung mit der Bohrspitze 13 erfolgt und nicht durch externes Drehen des durchgehenden Bohrträgers 4, können Probleme wie "Stick-Slip" in hohem Maß vermieden werden.
• In unserer schwebenden Patentanmeldung Nr. SE 0104217-5 wird eine neue Art fluidbetriebener Felsbohrer für Abwärtsbohrungen dargestellt und beschrieben, der hierbei als Referenz in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist. Bei diesem Felsbohrer für Abwärtsbohrungen ist die Bohrspitze drehbar fest angebracht, aber axial in einer Spitzenbuchse eingeschränkt, die wiederum in einer drehbaren Halterung in einem Gehäuse gehalten wird, das in dem Felsbohrer für Abwärtsbohrungen enthalten ist. Ein in der Bohrmaschine enthaltener Kolben ist angeordnet, um auf den Ansatz der Bohrspitze einzuwirken, ein Ventil ist angeordnet, um die Hin- und Herbewegung des Kolbens zu steuern, wobei das Ventil in einer Kammer mit einer Kolbenoberfläche abwechselnd Druck ausübt und Druck abbaut, die, wenn unter Druck, den Kolben nach vorne treibt. Ein interessantes Merkmal dieser Bohrmaschine ist, im Unterschied zu herkömmlichen BHAs, bei denen die entsprechenden Einheiten nacheinander in Bohrrichtung angeordnet sind, dass eine gewisse Menge des Antriebfluids, das zur Aktivierung des Schlagkolbens verwendet wird, abgeleitet wird, um ein Drehmittel anzutreiben, das auf der Spitzenbuchse zum Umsetzen der Spitzenbuchse und damit der Bohrspitze angeordnet ist. Dieses Drehmittel ist so mit dem Kolben synchronisiert, dass das Umsetzen erfolgt, wenn die Bohrspitze sich an der hintersten Endposition befindet oder genauer, wenn sie sich von der Felsoberfläche zurückbewegt.
• Die Gestaltung führt zu der relativ kurzen Länge der BHA, was den Vorteil bietet, dass die über den biegsamen Bohrträger ausgeübte Kraft viel näher am Arbeitsbereich der Bohrspitze liegt. Es versteht sich, dass die Steuerung von Bohrspitzen mit kleinem Kurvenradius dadurch vereinfacht wird und dass nur sehr wenig Kraft auf dem Weg zur Bohrspitze verloren geht, selbst wenn der Bohrträger in einem sehr kleinen Krümmungsradius abgeleitet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum gerichteten Bohren eines Bohrlochs (3), insbesondere beim Bohren gekrümmter Bohrlöcher zu Bergbauzwecken, beim Stollenbau oder dergleichen, für welches ein Bohrträger (4) in Form eines biegsamen, durchgehenden Bohrrohrs mit proximalem Ende und distalem Ende verwendet wird, wobei am Ende des distalen Endes des Bohrträgers eine Bottom-Hole-Assembly (5) mit einer Bohrmaschine (12) und einer Bohrspitze (13) angeschlossen ist, um einen Bohrstrang zu bilden, der in das nach und nach gebildete Bohrloch eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bottom-Hole-Assembly ein auf die Bohrspitze wirkendes Schlagwerk (8) aufweist und dass die Bohrspitze (13) während dem Bohrvorgang umgesetzt wird, indem sie sich zwischen jedem Schlag der Bohrspitze schrittweise um ihre Achse dreht, das Umsetzen im Bereich zwischen dem distalen Ende des Bohrträgers (4) und der Bohrspitze erfolgt, wobei das Umsetzen erfolgt, während sich die Bohrspitze von der Felsoberfläche wegbewegt oder in der zurückgezogenen Stellung befindet, wobei das Umsetzen mittels eines drehbaren, fluidbetriebenen Motors erfolgt, dessen Antriebsfluid durch einen durch den Bohrträger verlaufenden Durchgang geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Bohrspitze (13) durch den fluidbetriebenen Motor in festgelegten Schritten um die Bohrachse dreht.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bottom-Hole-Assembly (5) dem Typ entspricht, bei dem ein Teil des für den Antrieb der Bewegung der Bohrspitze (13) verwendeten Antriebsflusses abwechslungsweise zum Drehen und Umsetzen der Bohrspitze umleitbar ist.
4. Vorrichtung zum gerichteten Bohren eines Bohrlochs (3), insbesondere beim Bohren gekrümmter Bohrlöcher zu Bergbauzwecken, beim Stollenbau oder dergleichen, mit einem Bohrträger (4) in Form eines biegsamen, durchgehenden Bohrrohrs mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende und einer Bottom-Hole-Assembly (5) mit einer Bohrmaschine (12) und einer Bohrspitze (13), welche die Bohrspitze während des Bohrvorgangs auch zu drehen gestattet, wobei die Bottom-Hole-Assembly am Ende des distalen Teils des Bohrträgers angeschlossen ist, um einen Bohrstrang zu bilden, sowie einem Mittel zum Einführen des Bohrstrangs in das nach und nach gebildete Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bottom-Hole-Assembly (5) ein auf die Bohrspitze wirkendes Schlagwerk (8) und ein fluidbetätigtes Mittel (11) zum Umsetzen und Drehen der Bohrspitze (13) um eine in der Bohrrichtung verlaufende Achse während des Bohrvorgangs aufweist, wobei das Umsetzmittel derart mit dem Schlagwerk (8) synchronisiert ist, dass das Umsetzen erfolgt, während sich die Bohrspitze von der Felsoberfläche wegbewegt oder in der zurückgezogenen Stellung befindet, wobei ein durch den Bohrträger verlaufender Durchgang das Umsetzmittel mit einem Antriebsfluid versorgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Bottom-Hole-Assembly (5) ein Steuermittel (10) mit einem durch einen Motor verstellbaren Gelenk aufweist, um die Richtung der Bohrspitze (13) in Bezug auf den Bohrträger (4) zu steuern.