DE60320286T2

DE60320286T2 - Steuerung für bohrkopf

Info

Publication number: DE60320286T2
Application number: DE60320286T
Authority: DE
Inventors: Scott C. C/-CRC Minin ADAM; Timothy Gregory Highate Hill MEYER
Original assignee: CMTE Development Ltd
Current assignee: CMTE Development Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: AU2002952176A0; CN1714223A; ES2304527T3; DK1552103T3; RS51641B; CA2502698A1; EA200500681A1; BR0315425B1; BR0315425A; US7195082B2; CY1108171T1; EA007514B1; RS20050307A; PT1552103E; EP1552103A1; CA2502698C; PL377109A1; EP1552103B1; PL202695B1; WO2004035984A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf das Lenken von Bohrköpfen und ist besonders, doch nicht allein für die Richtungssteuerung eines Fluidbohrkopfes, der beim Bohren von Bohrlöchern, bei Anwendungen im Bergbau oder ähnlichen Anwendungen untertage verwendet wird, entworfen.
Allgemeiner Stand der Technik
Fluidbohrköpfe werden bei einer Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen zum Bohren von Bohrlöchern benutzt und verwenden typischerweise einen drehenden Kopf mit einer Anzahl von Düsen, aus denen Hochdruckstrahlen herauskommen, die gerichtet sind, um die Gesteinsfläche vor dem Bohrkopf aufzubrechen und zu erodieren. Fluidbohrköpfe dieser Art sind in der internationalen Patentanmeldung PCT/AU96/00783 beschrieben.
Eine Schwierigkeit bei Fluidbohrköpfen dieser Art liegt in dem Steuern der Richtung des Kopfes. Bei den meisten Anwendungen ist es hochgradig wünschenswert, bei der Bildung eines Bohrlochs Richtungsgenauigkeit zu erreichen, insbesondere in Situationen wie dem Ablassen von Methangas aus Kohlenflözen bei der Vorbereitung des Abbaus. In derartigen Situationen ist es entscheidend, ein gleichmäßiges Muster von Ablassbohrungen zu erreichen und sicherzustellen, dass die Bohrungen genau platziert sind, um durch beabsichtigte Streckenstellen in dem Abbaubetrieb zu gehen.
In der Vergangenheit ist es schwierig gewesen, einen Fluidbohrkopf dieser Art, der über einen biegsamen Schlauch geführt wird, typischerweise entweder von einer gebohrten Oberflächenstelle über eine Bohrkonfiguration mit engem Radius oder von einer Stelle untertage für Querfeld-, Grubenausbau- und Erkundungsbohrungen, genau zu steuern oder zu lenken.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum Lenken eines Fluidbohrkopfes gemäß Anspruch 1 bereit.
Bei einer Form der Erfindung wird der Fluidbohrkopf von Bodenhöhe eingesetzt, und die von dem Bohrkopf entfernt gelegene Stelle befindet sich auf oder über Bodenhöhe.
Vorzugsweise wird der Schlauch von einer drehbaren Trommel mit einer im Wesentlichen horizontalen Achse der Drehung geführt, und der Schlauch wird durch das Drehen der Trommel und der zugehörigen Stützvorrichtung um eine vertikale Achse gedreht, die im Wesentlichen mit einer senkrechten Bohrung abgestimmt ist, durch die der Schlauch in den Boden geführt wird.
Vorzugsweise wird die Vorspannkraft von einem asymmetrischen Lehrring bereitgestellt, der auf dem Fluidbohrkopf lokalisiert ist.
Alternativ dazu wird die Vorspannkraft durch die Teilabdeckung einer Schneidwasserstrahldüse auf dem Kopf bereitgestellt.
Alternativ dazu wird die Vorspannkraft durch eine asymmetrische Bemessung von Retro-Wasserstrahldüsen auf dem Schneidkopf bereitgestellt.
Alternativ dazu wird die Vorspannkraft durch eine teilweise abgelenkte Retro-Wasserstrahldüse bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ungeachtet irgendwelcher anderer Formen, die in ihren Bereich fallen können, wird nun eine bevorzugte Form der Erfindung lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein horizontaler Schnitt durch eine vorgeschlagene Streckenkonfiguration einer Tiefbaugrube ist, der die gewünschte Stelle von Bohrlöchern zum Ablassen von Grubengas zeigt;
2 ein schematischer vertikaler Schnitt durch eine typische Bohranordnung mit engem Radius unter Verwendung eines Fluidbohrkopfes, der von einem biegsamen Schlauch geführt wird, ist;
3 eine schematische perspektivische Ansicht einer an der Oberfläche lokalisierten drehbaren Schlauchführungsausrüstung gemäß der Erfindung ist;
4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausrüstung ähnlich der in 3 gezeigten ist, wenn auf einem Laster oder Anhänger montiert;
5 eine schematische Ansicht eines Ratschdrehgelenks ist, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet; und
6 eine perspektivische Ansicht des vorderen Endes eines Fluidbohrkopfes ist, die einen asymmetrischen Lehrring zeigt, der verwendet wird, um dem Bohrkopf eine Vorspannkraft bereitzustellen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die bevorzugte Form der Erfindung wird nun unter Bezug auf eine typische Situation des Ablassens von Grubengas beschrieben, wobei eine vertikale Bohrung von der Bodenoberfläche gebohrt wird und ein Richtkeil verwendet wird, um radiale Bohrungen bereitzustellen, die sich von der vertikalen Bohrung in vorbestimmten Tiefen auswärts erstrecken, aber es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren in vielen anderen Fluidbohrsituationen benutzt werden kann, einschließlich horizontalen Querfeldbohrens von einer Stelle untertage.
1 zeigt einen typischen Bohrbetrieb zum Ablassen von Grubengas, bei dem es gewünscht wird, Methan oder andere gefährliche Gase von Kohlenflözen 1 an der Stelle der beabsichtigten Strecken 2, die als Teil des Abbaubetriebes geschnitten werden sollen, abzulassen. Das Ablassen von Grubengas kann sicher und ökonomisch erreicht werden, indem eine Anzahl vertikaler Bohrungen 3 von der Oberfläche gebohrt werden und Bohrtechniken mit engem Radius verwendet werden, um radiale Bohrungen wie diejenigen, die typischerweise bei 4 gezeigt werden, von den vertikalen Bohrungen 3 zu bohren. Es ist festzustellen, dass die radialen Bohrungen in der Richtung genau gesteuert werden müssen, um durch jedes der separaten Felder in den Strecken 2 zu gehen.
Das Bohrsystem mit engem Radius ist genauer in 2 zu sehen, wo die vertikale Bohrung 3 von der Bodenoberfläche 5 gebohrt und eine Rohrleitung 6 die vertikale Bohrung herab geführt wird, um einen Richtkeil 7 in einem geräumten Hohlraum 8 an einer gewünschten Stelle zum Bohren der radialen Bohrungen in einem Kohlenflöz 9 zu stützen.
Der Fluidbohrkopf 10 wird mit einer Hochdruckflüssigkeit (typischerweise Wasser) durch einen biegsamen Schlauch 11 geführt, der durch die Rohrleitung 6 geht, und von einem aufrichtbaren Arm 12 in dem Richtkeil 7 horizontal umgelenkt.
Das biegsame Rohr wird von der Oberfläche geführt, wo es auf einer drehbaren Trommel 20, die auf einer Oberflächenausrüstung 13 um eine horizontale Achse 14 montiert ist, gelagert ist.
Die Oberflächenausrüstung kann auch andere Elemente inkorporieren, wie etwa eine weitere Trommel 15 für ein Steuerbündel 16 und Leitscheiben (nicht gezeigt), die angeordnet sind, um den Schlauch und das Steuerbündel in die Abstimmung mit der vertikalen Bohrung 3 zu leiten.
Die Schlauchhaspel 20 wird über einen Führungsschlauch 18 mit Hochdruckwasser von einer Hochdruckpumpe 19 versorgt.
Um dem Fluidbohrkopf 10 eine Lenksteuerung bereitzustellen, um die vertikale Position des Kopfes zu steuern und ihn innerhalb des Kohlenflözes 9 zu halten, und um den Kopf in die erforderliche Richtung zu leiten, um Bohrmuster des in 1 gezeigten Typs zu erreichen, wird dem Kopf eine Vorspannkraft bereitgestellt, die dazu neigt, den Bohrkopf vorzuspannen oder umzuleiten, so dass er einer gekrümmten Bahn folgt. Die Vorspannkraft wird dann ausgerichtet, indem der Bohrkopf durch das Drehen des biegsamen Schlauches 11 gedreht wird. Dies kann auf eine Anzahl von unterschiedlichen Weisen erreicht werden, wie unten weiter beschrieben wird.
Die Vorspannkraft kann auf eine Anzahl von unterschiedlichen Weisen bereitgestellt werden, aber es hat sich als bevorzugt erwiesen, die Kraft bereitzustellen, indem ein asymmetrischer Lehrring verwendet wird, der auf dem Fluidbohrkopf lokalisiert ist.
Unsere gleichzeitig anhängige internationale Patentanmeldung PCT/AU02/01550 beschreibt einen Fluidbohrkopf mit einem Lehrring, und es hat sich als eine sehr einfache Abwandlung erwiesen, die Vorderkante des Lehrrings asymmetrisch zu machen, wie in 6 gezeigt. Bei dieser Konfiguration wird der Lehrring 20, der konzentrisch um den drehbaren Fluidstrahldüsenkopf 21 montiert ist, asymmetrisch gemacht, indem entweder die Vorderkante 22 des Rings auf der einen Seite des Kopfes stärker als auf der anderen vorgeschoben wird, oder indem die Vorderkante des Lehrrings auf andere asymmetrische Weisen anders geformt wird. Auf diese Art und Weise kann das Fluid, das aus einer Seite, die der Räumstrahldüse 23 gegenüberliegt, an einem Punkt der Drehung des Kopfes 21 von der Vorderkante des Lehrrings teilweise behindert oder abgelenkt werden, um eine ungleichmäßige oder vorgespannte laterale Kraft bereitzustellen, die dazu neigt, den Fluidbohrkopf auf eine gekrümmte Trajektorie zu senden.
Alternative Verfahren zum Bereitstellen einer Vorspannkraft für den Bohrkopf können bereitgestellt werden, indem die Kraft von den Retro-Wasserstrahldüsen, die verwendet werden, um den Kopf vorwärts zu treiben, wie in der internationalen Patentschrift PCT/AU96/00783 beschrieben, versetzt wird, indem entweder eine Wasserstrahldüse größer als die anderen gemacht wird oder indem eine der Retro-Wasserstrahldüsen in einem extremeren Winkel zu der Achse des Bohrkopfs als die anderen Wasserstrahldüsen teilweise abgelenkt wird.
Alternativ kann eine ortsfeste versetzte Strahldüse in dem Bohrkopf bereitgestellt werden.
Das bevorzugte Verfahren zum Drehen des biegsamen Schlauches 11 und somit des Fluidbohrkopfes 10, um die Vorspannkraft in die erforderliche Richtung auszurichten, wird erreicht, indem die gesamte Oberflächenausrüstung 13 um die vertikale Achse des biegsamen Rohrs 11 gedreht wird, wo das Rohr in die vertikale Bohrung 3 abwärts führt. Diese Konfiguration ist schematisch in 3 gezeigt, wo die Oberflächenausrüstung 13 in einer horizontalen Ebene um einen Schwenktisch 24 gedreht wird, typischerweise auf dem Schwenktisch durch Rollen 25 und an dem äußeren Ende der Ausrüstung durch im Umfang ausgerichtete Räder 26 gestützt. Auf diese Art und Weise kann die gesamte Oberflächenausrüstung gedreht werden, um die Drehung des biegsamen Schlauches 11 herbeizuführen.
Wie in 4 gezeigt, ist es möglich, diese gesamte Ausrüstung auf der Ladefläche 27 eines Lasters oder Anhängers zu montieren, so dass die Ausrüstung gedreht werden kann, wiederum um den vertikalen Abschnitt des biegsamen Schlauches 11, was ermöglicht, dass der gesamte Schlauch gedreht wird, während er durch die Ladefläche des Lasters abwärts geführt wird.
Jede Drehung der Ausrüstung 13 als Drehtisch übersetzt sich in eine entsprechende Drehung des Schlauchstücks um seine longitudinale Achse und kann dadurch verwendet werden, um den Bohrvorspann auf jedem gewünschten Rollwert zu positionieren. Die notwendigen Dienstleistungen, die in den Drehtisch oder das Schlauchtrommelsystem verbunden werden müssten, umfassen Hochdruckwasser, elektrischen Strom und Datenkabel für die Instrumente. Ein Hochdruckwasserdrehgelenk kann entlang der Achse der Drehung des Tischs über dem Einscherrahmen lokalisiert sein. Ein grobes, aber effektives Verfahren zum Verbinden von Strom- und Datenkabeln besteht darin, diese Kabel aus einer Versorgungstrommel, die auf die Basis 27 des Sattelschleppers montiert ist, direkt auf eine Trommel, die auf den Drehtisch montiert ist, zu winden. Es sollte ausreichend Kabel bereitgestellt werden, um z. B. 100 Umdrehungen des Drehtisches zuzulassen, was als während des Bohrens einer gesteuerten radialen oder lateralen Bohrung wahrscheinlich nicht zu erreichen angesehen wird. Bei der Fertigstellung einer lateralen Bohrung werden die Kabel zurück auf die Versorgungstrommeln gewunden, bereit zum Bohren einer anderen lateralen Bohrung.
Dieses Verfahren des Drehens des Schlauchs von der Oberfläche hat den Vorteil, dass sich alle Systemkomponenten auf der Oberfläche und außerhalb des Lochs befinden. Dies ist deshalb ein Vorteil, weil der korrekte Betrieb der verschiedenen Komponenten visuell überprüft werden kann, und es erleichtert außerdem Wartung und Verlässlichkeit betreffende Probleme. Das System kann eine ausgezeichnete Steuerung der Bohrvorspannausrichtung erreichen und ist in der Lage, das Werkzeug in beide Richtungen zu drehen.
Obwohl die Erfindung bisher für die Verwendung bei einer vertikalen Bohrung, die von der Bodenoberfläche gebohrt wird, und einem Richtkeil, der verwendet wird, um radiale Bohrungen, die sich von der vertikalen Bohrung auswärts erstrecken, bereitzustellen, beschrieben wurde, findet die Erfindung gleichermaßen Anwendung auf andere Fluidbohrsituationen, wie etwa horizontale Querfeldbohrung von einer Stelle untertage. Diese Operation wird von einer Untertagestrecke aus verwendet, um Bohrlöcher in angrenzenden Flözen zu bohren, um gefährliche Gase freizusetzen, bevor der Abbaubetrieb beginnt, oder um wertvolle Gase wie etwa Methan zur Stromerzeugung von Kohlenflözen zu gewinnen.
Die Querfeldbohrsituation ist ähnlich der oben beschriebenen, mit der Ausnahme, dass der Schlauch von einer Trommel geführt wird, die so montiert ist, dass ihre Achse der Drehung in einem Spulenträger gestützt wird, welcher wiederum in einem geeigneten Stützrahmen um eine Achse drehbar ist, typischerweise im Wesentlichen horizontal, mit dem angrenzenden Bohrloch abgestimmt, in das der Schlauch geführt wird. Obwohl der Begriff „horizontal" in diesem Zusammenhang verwendet wird, versteht es sich, dass das Bohrloch geneigt sein kann, sich aber typischerweise näher zu der Horizontalen als zu der Vertikalen befindet.
Durch das Bereitstellen einer Vorspannkraft für den Fluidbohrkopf 10 und dann das Steuern der Richtung dieser Kraft durch das Drehen des biegsamen Schlauches 11, vorzugsweise indem die gesamte Oberflächenausrüstung auf eine in den 3 und 4 gezeigte Art und Weise gedreht wird, wird eine genaue Richtungssteuerung des Bohrwerkzeugs erreicht. Wo gewünscht ist, das Werkzeug in einer „geraden" Linie anzutreiben, kann der Schlauch kontinuierlich gedreht werden, was in einer flachen, langgezogenen Spiralbahn des Bohrkopfes resultiert, was einer geraden Linie nahekommt.
Wo gewünscht wird, in eine spezifische Richtung zu schwenken, wird der Bohrkopf gedreht, so dass die Vorspannkraft den Bohrkopf in die erforderliche Richtung drängt, und in dieser Ausrichtung gehalten, bis der Schwenk komplett ist.

Claims

Ein Verfahren zum Lenken eines Fluidbohrkopfes (10) der Art, die mit Hochdruckfluid durch einen biegsamen Schlauch (11) bereitgestellt ist, wobei der Schlauch (11) von einer drehbaren Trommel (20) mit zugehöriger Stützvorrichtung (13) in ein angrenzendes Bohrloch (3) geführt wird, wobei sich die Drehachse (14) der Trommel (20) im Wesentlichen in rechten Winkeln zu der Achse des Bohrlochs (3) befindet, wobei das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer Vorspannkraft für den Bohrkopf (10) umfasst und durch den Schritt des Steuerns der Richtung der Vorspannkraft durch Drehen des biegsamen Schlauchs (11) um seine longitudinale Achse durch Drehen der Trommel (20) und der zugehörigen Stützvorrichtung (13) um die Achse des Bohrlochs (3) gekennzeichnet ist, was dazu führt, dass sich der Bohrkopf (10) dreht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die drehbare Trommel eine im Wesentlichen horizontale Achse (14) der Drehung aufweist und der Schlauch (11) durch Drehen der Trommel (20) und der zugehörigen Stützvorrichtung (13) um eine vertikale Achse gedreht wird, die im Wesentlichen mit einer vertikalen Bohrung abgestimmt ist, durch die der Schlauch in den Boden geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Fluidbohrkopf (10) von Bodenhöhe (5) eingesetzt wird und die Trommel und die zugehörige Stützvorrichtung auf oder über Bodenhöhe lokalisiert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Fluidbohrkopf (10) von einer Stelle untertage eingesetzt wird, wobei sich das angrenzende Bohrloch näher zu der Horizontalen als zu der Vertikalen befindet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bohrkopf eine Vielzahl von Schneidwasserstrahldüsen umfasst, die aus einem drehbaren Kopf (21) herauskommen, und wobei die Vorspannkraft durch Teilabdeckung von mindestens einer Schneidwasserstrahldüse (23) über einen vorbestimmten begrenzten Bogen von ihrer Drehung bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Teilabdeckung durch einen asymmetrischen Lehrring (22) bereitgestellt ist, der auf dem Fluidbohrkopf lokalisiert ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorspannkraft durch eine asymmetrische Anordnung von Retro-Wasserstrahldüsen bereitgestellt ist, die bereitgestellt sind, um den Schneidkopf vorwärts zu treiben.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorspannkraft durch eine ortsfeste versetzte Strahldüse in dem Bohrkopf bereitgestellt ist.