DE69612250T2

DE69612250T2 - Steuerbares Bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE69612250T2
Application number: DE69612250T
Authority: DE
Inventors: Alan M. Eddison; Spyro J. Kotsonis
Original assignee: Anadrill International SA
Current assignee: Anadrill International SA
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: NO963821D0; AU697170B2; AU6554796A; CA2185205A1; DK0763647T3; CA2185205C; US5617926A; NO963821L; EP0763647B1; NO311652B1; EP0763647A2; EP0763647A3; DE69612250D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Werkzeuge und Verfahren zum Bohren eines Schrägbohrlochs unter Verwendung von Rotationsbohrtechniken und insbesondere rotierende Richtungsbohrwerkzeuge und Verfahren, wobei die Drehachse der Bohrkrone in bezug auf die longitudinale Achse des unteren Endabschnitts des Bohrstrangs derart angelenkt ist, daß die Krone als Antwort auf die Bohrstrangdrehung ein gesteuertes Richtungsbohrloch bohren kann.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein Öl- oder Gas-Bohrloch besitzt häufig einen Tiefbohrlochabschnitt, der gerichtet gebohrt wird, d. h. ein Abschnitt des Bohrlochs ist in bezug auf die Vertikale um einen Winkel geneigt und besitzt durch die Neigung einen bestimmten Richtungsvortrieb oder einen Azimut. Obwohl Bohrlöcher mit umgelenkten Sektionen nahezu überall gebohrt werden können, werden viele solche Bohrlöcher küstenfern von einer einzelnen Produktionsplattform derart gebohrt, daß die Sohlen der Bohrlöcher über einen großen Bereich eines Produktionsgebiets verteilt sind, über dem die Plattform zentral positioniert ist.
Eine typische Prozedur zum Bohren eines Richtungsbohrlochs besteht darin, den Bohrstrang und die Krone zu entfernen, durch die der anfängliche vertikale Abschnitt des Bohrlochs unter Verwendung herkömmlicher Rotationstechniken gebohrt wurde, und einen Schlammotor einzufahren, der am unteren Ende des Bohrstrangs ein Umlenkgehäuse aufweist, das die Krone als Antwort auf die Zirkulation von Bohrfluids antreibt. Das Umlenkgehäuse schafft einen solchen Umlenkwinkel, daß die Achse unterhalb des Umlenkpunkts, die der Drehachse der Krone entspricht, von oben betrachtet einen Winkel der "Werkzeugfläche" in bezug auf eine Referenzlinie bildet. Der Winkel der Werkzeugfläche oder einfach die "Werkzeugfläche" legt den Azimut oder den Richtungsvortrieb fest, unter dem das Bohrloch gebohrt wird, wenn der Schlammotor betrieben wird. Wenn die Werkzeugfläche durch langsames Drehen des Bohrstrangs und durch Beobachten der Ausgabe verschiedener Ausrichtungsvorrichtungen festgelegt wurde, werden der Motor und die Krone zum Grund abgesenkt und die Schlammpumpen werden gestartet, um eine Drehung der Krone zu bewirken. Das Vorhandensein des Umlenkwinkels bewirkt, daß die Krone auf einer Krümmung bohrt, bis eine gewünschte Neigung hergestellt ist. Dann wird an der Oberfläche der Bohrstrang gedreht, so daß sich seine Drehung der Drehung der Abtriebswelle des Schlammotors überlagert, wodurch bewirkt wird, daß der Umlenkpunkt lediglich um die Achse des Bohrlochs umläuft, so daß die Krone bei der Neigung und bei dem Azimut, die festgelegt wurden, gerade voraus bohrt. Bei Bedarf können die gleichen Richtungsbohrtechniken nahe an der Gesamttiefe verwendet werden, um das Bohrloch wieder in die Vertikale zu krümmen und dann vertikal nach unten in oder durch die Produktionszone zu verlängern. Systeme zum Messen während des Bohrens (measurement-while-drilling, MWD) sind gewöhnlich im Bohrstrang oberhalb des Motors enthalten, um den Fortschritt des Bohrens zu überwachen, so daß Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden können, wenn die verschiedenen Bohrlochparameter nicht wie geplant sind.
Ein weiteres Richtungsbohrwerkzeug ist in EP A 369 745 beschrieben. Das Werkzeug ist durch eine Baueinheit zur Weiterleitung eines Drehmoments mit flexiblen Gelenken gekennzeichnet, die es der Baueinheit ermöglichen, sich in einem Gehäuse zu drehen, das eine untere Abtriebswelle aufweist, die sich um eine umgelenkte Mittellinie dreht, um einen angebrachten Bohrkopf anzutreiben. Wenn ein Abschnitt der Baueinheit radial bewegt wird, dient eine Kardananordnung an der Abtriebswelle als Drehpunkt, um zu bewirken, daß die Rotationsmittellinie der Abtriebswelle von der Mittellinie des Gehäuses winkelig abgelenkt wird.
Wenn das Bohren mit einem Schlammotor erfolgt und der Bohrstrang nicht gedreht wird, können jedoch verschiedene Probleme auftreten. Das Rückmoment infolge des Betriebs des Motors und der Krone kann bewirken, daß sich die Werkzeugfläche allmählich ändert, so daß das Bohrloch nicht bei dem gewünschten Azimut vorangetrieben wird. Wenn keine Korrektur erfolgt, kann das Bohrloch zu einem Punkt verlängert werden, der zu nahe an einem anderen Bohrloch liegt, und beträchtlich länger als notwendig sein. Dies wird natürlich die Bohrkosten beträchtlich erhöhen und die Effektivität der Förderung vermindern. Außerdem kann ein nicht rotierender Bohrstrang einen erhöhten Reibungswiderstand verursachen, so daß eine geringere Steuerung der Last auf der Krone und ihrer Eindringrate vorhanden ist, was außerdem wesentlich erhöhte Bohrkosten zur Folge haben kann. Natürlich besteht bei einem nicht rotierenden Bohrstrang eine größere Wahrscheinlichkeit des Bruchs in der Bohrung als bei einem rotierendem, insbesondere dort, wo sich der Strang durch eine durchlässige Zone erstreckt, in der sich ein Schlammkuchen gebildet hat.
US-Patent Nr. 5.113.953 bezieht sich auf das Gebiet dieser Erfindung. Es schlägt eine Gegendrehung der Bohrkronenachse bei einer Drehzahl vor, die gleich und entgegengesetzt der Drehzahl des Bohrstrangs ist. Eine solche Gegendrehung wird durch einen elektrischen Servomotor bewirkt, der einen Exzenter antreibt, der an einem Zapfen oder an einem Ansatz an der Verlängerung der Kronenantriebswelle in Eingriff ist. Der Servomotor und eine Steuereinheit werden deswegen durch einen Batteriepack gespeist, der Sensoren enthält, die angeblich ständig den Azimut oder die Richtung eines hypothetischen Referenzradius des Werkzeuges abtasten. Wegen der elektronischen Hochentwicklung dieser Vorrichtung ist es unwahrscheinlich, daß sie in einer unwirtlichen Bohrlochumgebung sehr lange überlebt, so daß ihre Zuverlässigkeit viel zu wünschen übrig läßt.
Das US-Patent Nr. 5.529.133 und das US-Patent Nr. 5.484.029 beschreiben ein Verfahren zum Bohren eines Richtungsbohrlochs und ein lenkbares rotierendes Bohrwerkzeug dafür. Gemäß diesen Patenten besitzt der Bohrstrang eine erste Drehachse und die Krone besitzt eine zweite Drehachse, wobei das Verfahren bzw. das Werkzeug gekennzeichnet sind durch die Verwendung der Schwerkraft und einer auf die Schwerkraft reagierenden Einrichtung zum Aufrechterhalten der zweiten Achse während der Drehung der Krone durch den Bohrstrang in eine Orientierung, die in eine Raumrichtung zeigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und verbesserte Bohrwerkzeuge und Verfahren zu schaffen, mit denen das Bohren einer Richtungsbohrung ausgeführt werden kann, während der Bohrstrang gedreht wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und verbesserte Bohrwerkzeuge und Verfahren zum Bohren einer Richtungsbohrung zu schaffen, bei denen die Krone so gelenkt werden kann, daß sie auf einem gewünschten Kurs bleibt.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und verbesserte Bohrwerkzeuge zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese und weitere Aufgaben werden gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung gelöst durch das Vorsehen eines rotierenden Bohrwerkzeuges, das ein rohrförmiges Gehäuse besitzt, das mit dem Bohrstrang verbunden ist und an seinem unteren Ende eine Bohrkrone trägt. Die Krone ist mit dem Gehäuse durch eine Welle und durch eine Kupplung verbunden, die ein Moment überträgt, während sie ermöglicht, daß die Drehachse der Krone in bezug auf die longitudinale Achse des Gehäuses allseitig bis zu einem begrenzten Umfang schwenkt. Das obere Ende der Antriebswelle der Krone ist durch eine Einrichtung, die ein exzentrisches Lager oder eine Versatzkupplung enthält, an ein Exzentergewicht gekoppelt, um das sich das Gehäuse drehen kann, so daß das Gewicht durch die Schwerkraft stationär an der unteren Seite des Bohrlochs bleibt. Das exzentrische Lager oder die Versatzkupplung und das Gewicht bewirken, daß die longitudinale Achse der Antriebswelle der Krone, wenn das Gehäuse durch den Bohrstrang um sie gedreht wird, lediglich in eine Richtung zeigt.
Um das Werkzeug in der Weise drehend auszurichten, damit die Kronenachse eine gewünschte Werkzeugfläche besitzt oder damit die Werkzeugfläche geändert wird, nachdem das Bohren eines Richtungsbohrlochs begonnen wurde, wird ein Kupplungssystem verwendet, das auf die Schlammströmung und auf eine Manipulation des Bohrstrangs reagiert. Wenn die Schlammzirkulation vorübergehend angehalten wird, wird in einer Ausführungsform eine erste Kupplung im Werkzeug eingerückt, um das exzentrische Lager gegen eine Drehung relativ zum Gehäuse zu verriegeln. Die Verlängerung einer Teleskopverbindung am oberen Ende des Werkzeuges rückt eine zweite Kupplung aus, die ermöglicht, daß das Exzentergewicht an der unteren Seite des Lochs bleibt, und öffnet einen zusätzlichen Weg der Schlammströmung durch das Werkzeug, so daß lediglich eine minimale Einschränkung der Strömung vorhanden ist. Wenn der zusätzliche Strömungsweg geöffnet ist, wird die Schlammzirkulation gestartet, so daß das Werkzeug durch langsames Drehen des Bohrstrangs und des Gehäuses ausgerichtet werden kann, während an der Oberfläche die Anzeige der MWD-Übertragung von Signalen, die Richtungsparameter im Bohrloch repräsentieren, beobachtet wird. Wenn eine gewünschte Werkzeugfläche erreicht ist, wird die Teleskopverbindung geschlossen, um die zweite Kupplung wieder einzurücken und den zusätzlichen Strömungsweg zu schließen. Das Einrücken der zweiten Kupplung bewirkt, daß das Exzentergewicht die Drehachse der Krone, die in eine einzige Raumrichtung zeigt, beibehält, und die Wiederaufnahme der Schlammströmung durch verengte Durchlässe gibt die erste Kupplung frei, so daß sich das Gehäuse als Antwort auf die Drehung des Bohrstrangs in freier Weise um das exzentrische Lager und um das Gewicht drehen kann. Das Rotationsbohren kann dann begonnen werden, wobei die Krone einen neuen Winkel der Werkzeugfläche aufweist. Somit kann das Bohrwerkzeug der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der obengenannten Prozedur jederzeit, wenn Richtungsänderungen erforderlich sind, gelenkt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Winkel zwischen der Antriebswelle der Krone und der Drehachse des Werkzeuges als Antwort auf die longitudinalen Positionen eines Kopplungselements mit versetzter Bohrung am unteren Ende einer Spindelbaueinheit, die sich zwischen beabstandeten Positionen im Gehäuse bewegen kann, geändert. Eine normalerweise ausgerückte Einzelkupplung verbindet das Exzentergewicht des versetzten Kopplungselements, um als Antwort auf den Druckabfall durch die Spindelbaueinheit die Achse der Antriebswelle im Raum feststehend zu halten. Wenn de Schlammzirkulation angehalten wird, hebt eine Feder die Spindelbaueinheit und das Kopplungselement longitudinal an, um die Kupplung auszurücken und um für das Bohren einer geradeaus verlaufenden Bohrung eine Fehlausrichtung der Achsen von Antriebswelle und Gehäuse zu bewirken. Ein Indexierungssystem steuert die longitudinalen Relativpositionen und verriegelt das versetzte Kopplungselement in einer bestimmten Drehausrichtung in einer Position, so daß die Werkzeugfläche durch Drehen des Gehäuses durch den Bohrstrang eingestellt werden kann, während die MWD-Richtungsdaten beobachtet werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung besitzt die obenbeschriebenen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile, die durch die folgende genaue Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlicher werden, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung erfolgt, worin:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bohrung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebohrt wird;
Fig. 2 eine longitudinale Schnittansicht ist, die den Gesamtaufbau des Bohrwerkzeuges der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei einige Abschnitte in Seitenansicht dargestellt sind;
Fig. 3 ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht des Kupplungssystems, auf das oben Bezug genommen wurde, ist;
Fig. 5 und 6 Teilansichten sind, die zusätzliche Einzelheiten der Kupplungsstrukturen darstellen;
Fig. 7 eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht ist, die eine Kupplung im eingerückten Zustand und bei einer ungehinderten Strömung durch die Zwischenwelle zeigt;
Fig. 8 bis 11 Schnittansichten sind, die die verschiedenen Betriebsstellungen einer Teleskop- oder Gleitgelenkverbindung zeigt, die verwendet werden kann, um wahlweise eine der in Fig. 4 gezeigten Kupplungen auszurücken;
Fig. 11A bis 11C aufeinanderfolgende longitudinale Schnittansichten weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind; und
Fig. 12 eine entwickelte Draufsicht einer Hälfte des Umfangs einer Indexierungshülse ist, die mit Indexierungsstiften zusammenwirkt, um die longitudinale Relativposition einer Spindel zu steuern.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 ist ein Bohrloch 10 gezeigt, das durch eine Krone 11 am unteren Ende eines Bohrstrangs 12 gebohrt wird, der sich nach oben zur Oberfläche erstreckt, wo er durch den Bohrtisch 13 eines typischen (nicht gezeigten) Bohrturms gedreht wird. Der Bohrstrang 12 enthält gewöhnlich ein Gestängerohr 14, von dem ein Längenstück der schweren Bohrkränze 15 herabhängt, die auf die Krone 11 ein Gewicht aufbringen. Das Bohrloch 10 ist so gezeigt, daß es einen vertikalen oder nahezu vertikalen oberen Abschnitt 16 und einen gekrümmten unteren Abschnitt 17 aufweist, der unter der Steuerung eines Bohrwerkzeugs 20 gebohrt wird, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Um die im gekrümmten Abschnitt 17 benötigte Flexibilität zu gewährleisten, kann eine untere Sektion des Gestängerohres 14 N verwendet werden, um die Kränze 15 mit dem Bohrwerkzeug 20 zu verbinden, so daß die Kränze im vertikalen Abschnitt 16 des Bohrlochs 10 bleiben. Der untere Lochabschnitt 17 wird von dem vertikalen Abschnitt 16 in der gewöhnlichen Weise abgehen. Der gekrümmte oder geneigte Abschnitt 17 wird dann eine untere Seite und eine obere Seite aufweisen, wie für Fachmänner selbstverständlich ist. Gemäß der üblichen Praxis wird durch an der Oberfläche angeordnete Pumpen die Zirkulation von Bohrfluid oder "Schlamm" bewirkt, der nach unten durch den Bohrstrang 12 geht, wo der durch Düsen in der Krone 11 austritt, und durch den ringförmigen Raum 18 zwischen dem Bohrstrang 12 und den Wänden des Bohrlochs 10 zur Oberfläche zurückkehrt. Wie später genauer beschrieben wird, ist das Bohrwerkzeug so aufgebaut und beschaffen, daß die Bohrkrone 11 längs eines gekrümmten Weges bei einem bestimmten Azimut bohrt und eine neue Neigung des Bohrlochs herstellt, selbst wenn das Werkzeug und die Krone durch den Bohrstrang 12 und den Bohrtisch 13 gedreht werden.
Ein MWD-Werkzeug 19 ist vorzugsweise in den Bohrstrang 12 zwischen dem oberen Ende des Bohrwerkzeuges 20 und dem unteren Ende der Rohrsektion 14 N eingeschaltet. Das MWD-Werkzeug 19 kann von dem Typ sein, der in den US-Patenten Nr. 4.100.528, 4.103.281 und 4.167.000 gezeigt ist, bei dem ein Drehventil am oberen Ende einer Steuereinrichtung die Schlammströmung in einer solchen Weise unterbricht, daß Druckimpulse, die Messungen im Bohrloch repräsentieren, telemetrisch zur Oberfläche übertragen werden, wo sie durch einen Druckwandler erfaßt werden sowie verarbeitet und angezeigt und/oder aufgezeichnet werden. Die MWD-Baueinheit ist gewöhnlich in einem unmagnetischen Bohrkranz untergebracht und enthält Richtungssensoren, wie etwa orthogonal angebrachte Beschleunigungsmesser und Magnetometer, die jeweils Komponenten der Schwerkraft und der Magnetfelder der Erde messen und Ausgangssignale erzeugen, die zu einer Kassette geführt werden, die mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist. Die Schlammströmung geht außerdem durch eine Turbine, die einen Generator antreibt, der das System mit elektrischer Energie versorgt. Die Drehung des Ventils wird durch die Steuereinheit derart moduliert, daß die dadurch erzeugten Druckimpulse die Messungen repräsentieren. Auf diese Weise stehen die im Bohrloch während des Bohrens ausgeführten Messungen an der Oberfläche im wesentlichen in Echtzeit zur Verfügung. Die obengenannten Patente sind in dieser Patentanmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen.
Der Gesamtaufbau des Bohrwerkzeuges 20 ist in Fig. 2 gezeigt. Ein verlängertes rohrförmiges Gehäuse 21 trägt nahe an seinem unteren Ende einen Stabilisator 22, wobei der Stabilisator mehrere sich radial erstreckende Schaufeln oder Rippen 23 aufweist, deren äußere bogenförmige Flächen im wesentlichen denselben Durchmesser besitzen wie der lichte Durchmesser der Krone 11, um die longitudinale Achse des Gehäuses 21 im gerade gebohrten Bohrloch zu zentrieren. Es können ein oder mehrere (nicht gezeigte) Stabilisatoren, die weiter aufwärts am Strang angebracht sind, verwendet werden. Eine Querwand 24 am unteren Ende des Gehäuses 21 weist eine mittlere kugelförmige Ausnehmung 25 auf, die eine Kugel 26 aufnimmt, die zwischen den unteren und oberen Enden einer Antriebswelle 27 ausgebildet ist. Die Welle 27 weist einen inneren Strömungsdurchlaß 28 auf, der Bohrschlamm zur Krone 11 leitet, und ist am unteren Ende einer Kronenaufnahme 30 befestigt. Die Welle 27 ist durch eine Universalverbindung, die mehrere am Umfang beabstandete Kugellager 31 enthält, die an entsprechenden Vertiefungen in der äußeren Oberfläche der Kugel 26 und in winkelig beabstandeten Schlitzen 32 in den Wänden der Ausnehmung 25 in Eingriff sind, mit der Wand 24 und somit mit dem Gehäuse 21 verbunden. Dadurch wird ein Drehmoment vom Gehäuse 21 über das Kugellager 31 und die Schlitze 32 auf die Antriebswelle 27 und auf die Krone 11 übertragen. Die Welle 27 und die Krone 11, die eine gemeinsame Achse 33 besitzen, sind jedoch angelenkt und schwenken allseitig um die geometrische Mitte der Kopplungskugel 26. Der Winkel der Schwenkdrehung ist durch den Betrag der Exzentrizität eines Lagers 35 am oberen Ende der Welle 27 festgelegt.
Der obere Endabschnitt 34 der Antriebswelle 27 ist im Lager 35 aufgenommen, das in einer Ausnehmung im verlängerten und exzentrisch angeordneten unteren Endabschnitt oder Flansch 36 einer Zwischenwelle 37 angebracht ist. Ein Fluidverlust aus dem oberen Ende der Antriebswelle 27 wird durch einen geeigneten Dichtring 34 N (Fig. 4) verhindert. Die Zwischenwelle 37 besitzt eine Mittelbohrung 37 N, die mit dem Strömungsdurchlaß 28 in der Antriebswelle 27 verbindet, und ist für eine Drehung im Gehäuse 21 durch axial beabstandete Lager 38, 39 angebracht. Die Lager 38, 39 sind außerdem in einer typischen Art angeordnet, um die Welle 37 gegen eine axiale Bewegung zu fixieren. Das obere Ende der Welle 37 weist eine nach außen gerichtete kreisförmige Schulter 41 auf, die durch einen Kupplungsmechanismus, der allgemein mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet ist, mit einer oberen Welle 42 lösbar verbunden ist. Die obere Welle 42 besitzt ebenfalls eine nach außen gerichtete ringförmige Schulter 44 mit Kupplungselementen, die später zu beschreiben sind, und ist mit einem Ventilkopf 45 versehen, der im oberen Endabschnitt der Wellenbohrung 37 N sitzt. Die Welle 42 erstreckt sich nach oben durch ein Lager 46, das in einer Querplatte 47 mit mehreren Strömungsdurchlässen 48 angebracht und an der unteren Endwand 50 eines länglichen exzentrischen Gewicht, das allgemein mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet ist, befestigt ist. Die obere Endwand 52 des Gewichts 51 ist an einem Drehzapfen 53 befestigt, der sich durch eine obere Lagerbaueinheit 54 mit Strömungsdurchlässen 55 erstreckt. Die longitudinale Achse des Gewichts 51 fällt mit der longitudinalen Achse 40 das Gehäuses 21 zusammen. Die Exzentergewicht- Baueinheit 51 enthält ein zylindrisches äußeres Element 59, das gemeinsam mit den Endwänden 50, 52, eine innere zylindrische Kammer 56, die ein Exzentergewichtelement 57 aufnimmt, definiert. Das Gewicht 57 besitzt die Form einer länglichen halbkreisförmigen Platte aus einem schweren Werkstoff, wie etwa Stahl oder Blei, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Das Gewicht 57 ist durch eine geeignete Einrichtung an einer Seite der Kammer 56 befestigt, so daß in einem Schrägbohrloch die Schwerkraft das Gewichtselement 57 zwingt, in der Unterseite des Bohrlochs zu bleiben und somit die Drehausrichtung der Gewichtsbaueinheit 51 in dieser Position fixiert, selbst wenn sich das Gehäuse 21 um sie herum dreht. Eine teleskopartige Gelenkverbindung 58, die später in Verbindung mit den Fig. 8 bis 13 beschrieben wird, bildet das obere Ende des Werkzeuges 20 und das obere Ende dieses Gelenks ist mit dem unteren Ende des MWD-Werkzeuges 19 verbunden.
Der Kupplungsmechanismus 43 ist in den Fig. 4 bis 7 in zusätzlichen Einzelheiten erläutert. Der Mechanismus enthält eine erste Kupplung 43A, bei der die obere Fläche der kreisförmigen Schulter 41 mit mehreren winkelig beabstandeten Wellen 60 (Fig. 5) versehen ist, die abgerundete Gipfelpunkte 61 und Talpunkte 62 aufweisen. Die untere Fläche der kreisförmigen Schulter 44 weist übereinstimmende Wellen 63 auf, so daß die Kupplung praktisch in jeder relativen Drehposition der Wellen 37 und 42 einrücken wird. Wie später erläutert wird, können die obere Welle 42 und die Gewichtsbaueinheit 51 im Gehäuse axial verschoben werden, um das Einrücken und das Ausrücken der ersten Kupplung 43A zu bewirken. Wenn die Kupplung 43A eingerückt ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, sitzt der Ventilkopf 45 auf der unteren Seite der Schulter 44 im oberen Endabschnitt der Bohrung 37 N der Zwischenwelle 37, wobei ein Dichtring 65 einen Fluidverlust verhindert. In dieser Position müssen Bohrfluids oder Schlamm, die nach unten durch das Gehäuse 21 gepumpt werden, die Kupplungsschultern 41, 44 umgehen und über mehrere radiale Öffnungen 66 durch die Wände der Welle in die Bohrung 37 N der Welle 37 eintreten. Wenn der Ventilkopf 45 jedoch nach oben und aus seiner Sitzfläche heraus bewegt wird, können die Bohrfluids durch einen nicht verengten Strömungsbereich direkt in die Oberseite der Bohrung 37 N strömen.
Außerdem ist eine zweite Kupplung, die in den Fig. 4 und 6 allgemein mit dem Bezugszeichen 43B bezeichnet ist, vorgesehen. Die Kupplung 43B enthält einen axial verschiebbaren Ring 68, der äußere Keilnuten 70 aufweist, die mit inneren Keilrippen 71 an der inneren Wand des Gehäuses 21 übereinstimmen, so daß der Ring longitudinal gleiten, sich jedoch nicht relativ zum Gehäuse drehen kann. Der Ring 68 ist in Aufwärtsrichtung durch eine Schraubenfeder 72 (Fig. 7) vorgespannt, die zwischen der unteren Seite des Rings und der oberen Seite des Lagers 38 wirkt. Die obere Seite des Rings 68 besitzt einen halbkreisförmigen erhabenen Abschnitt 73, der diametral entgegengesetzt radiale Flächen 74 aufweist, und die untere Seite der Schulter 41 am oberen Ende der Welle 37 ist mit der gleichen Anordnung radialer Flächen ausgebildet, von denen in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 75 eine Fläche gezeigt ist. Bei dieser Anordnung können die Flächen 74, 75 in lediglich einer relativen Drehposition zwischen Ring 68 und Schulter 41 in gegenseitigen Eingriff gelangen. Die jeweiligen Strömungsbereiche durch die Seitenöffnungen 66 und die Bohrung 37N sind so bemessen, daß dann, wenn sich der Ventilkopf 45 in der Oberseite der Bohrung 37 N in der Sitzfläche befindet, die Strömung der Bohrfluids an den Schultern 41, 44 vorbei und in die Öffnungen 66, wie in Fig. 6 durch die Pfeile gezeigt ist, den Ring 68 veranlaßt, sich gegen die Vorspannung der Feder 72 in Abwärtsrichtung zu verschieben, so daß die Kupplungsflächen 74, 75 außer Eingriff gelangen. Wenn die Fluidströmung angehalten wird, verschiebt die Feder 72 den Ring 68 in Aufwärtsrichtung, um die Kupplung einzurücken, wenn die Flächen 74, 75 in geeigneter Weise ausgerichtet sind. Das Einrücken beider Kupplungen 43A und 43B verriegelt das Exzentergewicht 57, deswegen wird es sich mit dem Gehäuse 21 drehen. Wenn die Kupplung 43A durch die Aufwärtsbewegung der Welle 42 ausgerückt wird, bleibt die Kupplung 43B eingerückt, selbst wenn die Zirkulation ausgelöst ist, da die gesamte Schlammströmung direkt in die Oberseite der Bohrung 37N verlaufen wird und unzureichende Strömungskräfte vorhanden sind, die dazu neigen, die Feder 72 zusammenzudrücken. Der Eingriff der Kupplung 43B verriegelt die Zwischenwelle 37 am Gehäuse 21, so daß die Achse 33 der Krone 11 (Werkzeugfläche) durch langsames Drehen des Bohrstrangs 12 an der Oberfläche ausgerichtet werden kann, während das MWD-Werkzeug 19 betätigt wird, um den Azimut dieser Achse zu überwachen.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen ein Teleskopgelenk 58 des Typs, der am oberen Ende das Gehäuses 21 enthalten sein kann, um das axiale Verschieben der Gewichtsbaueinheit 51 und der Welle 41 zu ermöglichen, damit die Kupplung 43A und der Ventilkopf 45 als Antwort auf die Manipulation des Bohrstrangs 12 an der Oberfläche betätigt werden. Das obere Ende des Gehäuses 21 besitzt eine nach innen gerichtete Anschlagschulter 80 und innere longitudinale Keile 81, die sich von der Schulter in Abwärtsrichtung erstrecken. Ein Kranz 82, der durch (nicht gezeigte) Gewinde mit dem unteren Ende des MWD-Werkzeuges 19 verbunden ist, besitzt einen Abschnitt 84 mit vermindertem Durchmesser im Vergleich zu seinem unteren Ende, der sich in der Schulter 80 in Abwärtsrichtung bis zu einem vergrößerten unteren Endabschnitt 85 mit äußeren Nuten erstreckt, die mit den Keilen 81 übereinstimmen, um eine Relativdrehung zu verhindern. Somit kann sich der Kranz 82 in Aufwärtsrichtung, bis der Endabschnitt 85 an der Schulter 80 in Eingriff gelangt, und in Abwärtsrichtung, bis seine untere Oberfläche 86 (Fig. 9) an der Oberseite des Gehäuses 21 anstößt, bewegen. Ein Dichtring 87 verhindert einen Verlust der Bohrfluids. Das obere Ende des Drehzapfens 53 an der Exzentergewichtbaueinheit 51 ist durch eine Lagerbaueinheit 89 am unteren Ende einer Stange 88 drehbar angebracht, deren oberes Ende an einer Querwand 90 am oberen Ende des Kranzes 82 befestigt ist. Wie gezeigt ist, ist die Wand 90 mit verschiedenen Strömungsöffnungen 91 versehen, durch die die Bohrfluids in Abwärtsrichtung durchfließen können.
Eine Hülse 92, die Bestandteil des Gehäuses 21 sein kann, weist mehrere in Umfangsrichtung beabstandete, sich in Aufwärtsrichtung erstreckende Federfinger 93 auf, die an ihrem oberen Ende ausgebildet sind, wobei jeder der Finger einen vergrößerten Kopfabschnitt 94 besitzt. In einer Bohrung 97 mit vermindertem Durchmesser des Kranzes 82 sind obere und untere innere ringförmige Nuten 95, 96 ausgebildet und wirken mit den Köpfen 94 zusammen, um den Kranz 82 in ausgewählten longitudinalen Relativpositionen zum Gehäuse 21 einschnappen zu lassen. Um die Köpfe 94 in einer Nut 95 oder 96 zu verriegeln, ist ein Kolben 98, der einen Abschnitt 99 mit größeren Durchmesser und einen Abschnitt 100 mit geringerem Durchmesser aufweist, gleitfähig in einer inneren Bohrung 101 im Kranz 82 aufgenommen und ist in Aufwärtsrichtung durch eine Schraubenfeder 102 vorgespannt, die zwischen der unteren Fläche des Abschnitts 99 und einer in Aufwärtsrichtung zeigenden Schulter 103 am Kranz 82 wirkt. Ein Dichtring 105 kann am Abschnitt 99 des Kolbens 98 angebracht sein, um einen Verlust über seine äußeren Wände zu verhindern. Der Kolben 98 weist eine Mittelbohrung 104 auf, durch die sich die Stange 88 erstreckt, und der ringförmige Bereich zwischen der Bohrungswand und dem äußeren Umfang des Stange schafft einen Strömungsdurchgang mit einer eingeschränkten Fläche. Der äußere Durchmesser des unteren Abschnitts 100 des Kolbens 98 ist so bemessen, daß er lediglich dann in die Federfinger 93 paßt, wenn die Köpfe 94 in eine Nut 95 oder 96 eingeschnappt sind. Die Fluidströmung durch die eingeschränkte ringförmige Fläche drückt den Kolben in Abwärtsrichtung gegen die Vorspannung der Schraubenfeder 102 und bewirkt, daß sich der untere Abschnitt 100 hinter die Köpfe 94 bewegt und sie dadurch in einer Nut 95 oder 96 verriegelt, so daß der Kranz 82, die Stange 88 und der Drehzapfen 53 in bezug auf das Gehäuse 21 longitudinal fixiert sind. Dadurch wird außerdem die longitudinale Position des Gewichts 57 in bezug auf das Gehäuse 21 fixiert.
Fig. 8 zeigt die strömungslose und nicht verriegelte Position der Teile des Teleskopgelenks 58, wenn das Bohrwerkzeug 21 am Bohrgrund ist und das Gelenk zusammengefaltet oder eingezogen ist. Beim Fehlen der Fluidströmung wird der Kolben 98 durch die Feder 102 in Aufwärtsrichtung angehoben. Die Einschnappköpfe 94 sind infolge der Gelenkzusammenziehung in der Nut 95, sie sind jedoch in ihren äußeren Positionen durch den Kolben 98 nicht verriegelt. In Fig. 9 wurde das Werkzeug 20 vom Bohrgrund abgehoben, damit sich das Gelenk 58 ausdehnt und dadurch die Stange 88 und der Drehzapfen 53 angehoben werden, der das Gewicht 57 im Gehäuse 21 anhebt, damit die Kupplung 43A ausrückt, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Kolben 98 bleibt jedoch beim Fehlen der Fluidströmung in seiner oberen Position. In Fig. 10 wird Bohrfluid durch das Werkzeug 20 in Abwärtsrichtung gepumpt, so daß der Druckabfall infolge der Fluidströmung durch die eingeschränkte Bohrungsfläche des Kolbens 98 diesen gegen die Vorspannung der Feder 102 in Abwärtsrichtung drückt, um den unteren Abschnitt 100 hinter den Einschnappköpfen 94 zu positionieren, und um somit den Kranz 82, die Stange 88 und den Drehzapfen 53 mit dem Gehäuse 21 zu verriegeln. Die Kupplung 43A bleibt ausgerückt, da das Gewicht 57 in Aufwärtsrichtung angehoben wird, die Feder 72 rückt jedoch die Kupplung 43B ein, um die Zwischenwelle 37 am Gehäuse 21 zu verriegeln. Dies ermöglicht eine Neuausrichtung der Werkzeugfläche der Krone 11 durch Drehen des Bohrstrangs 12 an der Oberfläche und durch Beobachten der durch die MWD-Signale gelieferten Anzeige. Wenn das Bohren begonnen wird, während das Teleskopgelenk 58 in der ausgefahrenen Position ist, tendiert die Krone 11 danach, gerade voraus zu bohren, da die Antriebswelle 27 am Gehäuse 21 befestigt ist und ihr oberes Ende 34 lediglich um die longitudinale Achse 40 des Gehäuses 21 umläuft, wenn dieses durch den Bohrstrang 12 gedreht wird. In Fig. 11 sind die Pumpen angehalten und das Werkzeug 20 ist auf den Bohrgrund abgesenkt, um zu bewirken, daß sich das Gelenk 58 einzieht, was nach der obenbeschriebenen Neuausrichtung durchgeführt wird. Dann werden die Schlammpumpen erneut gestartet, um das Bohren zu beginnen, wodurch bewirkt wird, daß sich der Koben 98, wie gezeigt ist, in Abwärtsrichtung verschiebt und die Einschnappköpfe 94 in der oberen Nut 95 verriegelt. Wenn das Gelenk 58 eingeknickt ist, wird der Drehzapfen 53 abgesenkt, um dementsprechend das Exzentergewicht 57 abzusenken und die Kupplung 43A einzurücken. Wenn der Ventilkopf 45 die Sitzfläche im oberen Ende der Welle 37 einnimmt, strömt Fluid am Kupplungsring 68 vorbei, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und drückt ihn in Abwärtsrichtung in seine freigegebene Position, wobei das Gewicht 57, die Zwischenwelle 37 und die Antriebswelle 27 im Raum feststehend bleiben, wenn sich das Gehäuse 21 um sie herum dreht.

FUNKTION

Im Gebrauch und beim Betrieb der vorliegenden Erfindung ist das Bohrwerkzeug 20, das die Krone 11 aufweist, die am unteren Ende der Antriebswelle 27 angebracht ist, mit dem unteren Ende des MWD-Werkzeuges 19 verbunden und wird am Ende des Bohrstrangs 12 in die Bohrung 10 abgesenkt, wobei seine einzelnen Abschnitte oder Gelenke endweise verschraubt sind. Während des Absenkens ist das Teleskopgelenk 58 ausgefahren, da jedoch keine Zirkulation vorhanden ist, ist der Kolben 98 in seiner oberen Position, die in Fig. 9 gezeigt ist, und die Köpfe 94 der Federfinger 93 sind in der unteren Nut 96. Wenn das Werkzeug 20 den Bohrgrund erreicht, ist das Gelenk 58 zusammengefaltet und bewirkt, daß die Kupplung 43A einrückt. Wenn die Zirkulation begonnen wird, rückt die Kupplung 43B aus, um zu ermöglichen, daß das Gewicht 57 die Antriebswelle 27 im Raum stationär hält, wenn das Gehäuse 21 und die Krone 11 gedreht werden. Durch das erste Aufnehmen zum Ausfahren des Teleskopgelenks 58 und die dadurch erfolgte Freigabe der Kupplung 43A und das anschließende Starten der Pumpen zum Verriegeln des Gelenks 58 hat sich die Werkzeugfläche der Krone 11, wie oben beschrieben wurde, ausgerichtet. Die Kupplung 43B rückt ein, um die Wellen 37 und 27 am Gehäuse 21 zu verriegeln, so daß das Gehäuse zum Ausrichten der Werkzeugfläche gedreht werden kann. Die Fluidzirkulation betätigt das MWD-Werkzeug 19, so daß die Neigung, der Azimut und die Werkzeugflächenwinkel an der Oberfläche in Echtzeit angezeigt werden. Der Kolben 98 bewegt sich in Abwärtsrichtung in die in Fig. 11 gezeigte verriegelte Position.
Um bei Bedarf die anfängliche Einstellung des Werkzeugflächenwinkels zu ändern, wird die Zirkulation angehalten und der Bohrstrang 12 wird um eine geringe Entfernung angehoben, damit das Teleskopgelenk 58 ausfährt, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Dadurch werden das Exzentergewicht 57 angehoben und die Kupplungsbaueinheit 43A ausgerückt, wie in Fig. 7 gezeigt ist, und außerdem der Ventilkopf 45 aus seiner Sitzfläche im oberen Ende der Welle 37 gehoben. Anschließend wird die Zirkulation wiederaufgenommen, um das MWD-Werkzeug 19 zu betätigen, das bewirkt, daß sich der Kolben 98 in Abwärtsrichtung verschiebt und die Köpfe 94 verriegelt. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, bleibt die Kupplung 43B infolge der nicht eingeschränkten Strömung in die Oberseite der Bohrung 37 N der Welle 37 eingerückt. Die Welle 37 und das exzentrische Lager 35 sind somit durch den Kupplungsring 68 und die Keile 71 mit dem Gehäuse 21 verriegelt, so daß die Drehachse 33 (Fig. 2) der Krone 11 in bezug auf das Gehäuse 21 feststehend ist. Anschließend wird der Bohrstrang 12 langsam gedreht, bis die Werkzeugfläche, die der Arbeitspunkt der Achse 33 ist, den gewünschten Wert aufweist, der durch die MWD-Anzeige an der Oberfläche gezeigt wird. Während dieser Drehung bleibt das Gewicht 57 infolge der Schwerkraft an der Unterseite der Bohrung 10. Anschließend werden die Pumpen angehalten und das Werkzeug 20 wird auf den Bohrgrund abgesenkt. Ein Teil des Gewichts des Bohrkranzes 15 wird daraufhin abgezweigt, um das Gelenk 58 zusammenzuklappen, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Bewegung senkt das Gewicht 57 ab, um zu bewirken, daß die Kupplung 43A einrückt, und setzt den Ventilkopf 45 in die Oberseite der Bohrung 37N ein. Dann wird die Schlammzirkulation wiederaufgenommen und diese muß die Kupplung 43A umgehen und in die Öffnungen 66 eintreten, was bewirkt, daß der Ring 68 in Abwärtsrichtung verschoben wird und die Flächen 74, 75 der Kupplung 43B, wie in Fig. 4 gezeigt ist, außer Eingriff gelangen. Nun kann das Gehäuse 21 in freier Weise relativ zur Zwischenwelle 57 rotieren, die durch die Tendenz des Gewichts 57, neben der Unterseite des geneigten Abschnitts 17 des Bohrlochs 10 zu bleiben, im Raum stationär gehalten wird. Auf diese Weise ist das exzentrische Lager 35 räumlich fixiert, so daß die Krone 11 durch das Gehäuse 21 über das Kugelgelenk 26 gedreht wird, wobei die Ausrichtung der Achse 33 feststehend bleibt und in die gleiche Richtung im Raum zeigt. Die Bohrung 10 wird infolge des Winkels zwischen der Achse 33 und der longitudinalen Achse 40 des Gehäuses 21 längs eines gekrümmten Weges gebohrt. Eine Lagerausnehmung im Flansch 36 der Welle 37, die einen speziellen Betrag der Exzentrizität aufweist, kann während der Montage an der Oberfläche vorgesehen werden, um einen gewünschten Radius der Krümmung des unteren Abschnitts 17 der Bohrung 10 zu erreichen. Es kann z. B. eine Exzentrizität so gewählt werden, daß der spitze Winkel zwischen der Achse 40 des Gehäuses 21 und der Drehachse 33 der Krone 11 im Bereich von etwa 1 bis 3º liegt. Wenn die Krone 11 durch das Gehäuse 21 als Antwort auf die Drehung des Bohrstrangs 12 gedreht wird, bewirkt die Schwerkraft, daß das Exzentergewicht 57 in der Nähe der Unterseite der Bohrung 10 feststehend bleibt, wenn sich das Gehäuse 21 um das Gewicht dreht. Das Kugelgelenk 26, das die Antriebswelle 27 am unteren Ende des Gehäuses 21 anbringt, ermöglicht, daß die Welle um den Mittelpunkt der Kugel schwenkt. Wenn die Werkzeugflächenwinkel, wie oben beschrieben wird, neu ausgerichtet werden, werden die Schlammpumpen angehalten, um ein Ausrücken der Kupplung 43B zu bewirken. Da die Kupplung, wie zuvor beschrieben wurde, lediglich in einer relativen Position einrücken kann, sollte der Bohrstrang 12 ohne Pumpen langsam um mehrere Umdrehungen gedreht werden, um ein Einrücken sicherzustellen. Wenn ein solches Einrücken erfolgt, ist die Zwischenwelle 37 wieder über die Keile 70, 71 mit dem Gehäuse 21 verriegelt, wobei die Achse 33 der Krone 12 eine bekannte relative Ausrichtung aufweist.
Die Fig. 11A bis 11C erläutern eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die verwendet werden kann, um entweder ein gekrümmtes oder ein gerades Bohrloch zu bohren. Diese Ausführungsform verwendet kein Gleitgelenk, wie erläutert wurde, und benötigt deswegen zum Betätigen kein Einsetzen eines Bohrstranggewichts. Das Werkzeug muß am Bohrgrund nicht gedreht werden, um eine Welle am Gehäuse zu verriegeln, während die Richtung oder der Azimut eingestellt wird, in der bzw. bei dem das Bohrloch gebohrt wird. In diese Figuren enthält das Werkzeug 200 eine Gehäusebaueinheit 201, die aufeinanderfolgende rohrförmige Abschnitte 202 bis 206 aufweist, die endweise aneinandergeschraubt sind. Der obere Gehäuseabschnitt 202 enthält ein längliches Exzentergewicht 207, das durch Gewinde 209 am oberen Ende einer Kupplungsspindel 208 befestigt ist. Das Gewicht 207 ist dadurch zu den zuvor beschriebenen Gewicht ähnlich, daß es im allgemeinen einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzt, damit sein Schwerpunkt außerhalb der Achse liegt. Das obere Ende des Gewichts 207 ist in einem (nicht gezeigten) Drehzapfen angebracht, der mit dem Gehäuseabschnitt 202 und der Spindel 208 koaxial ist. Die Spindel 208 wird durch eine Bohrung 210 zentriert, die durch eine in Einwärtsrichtung verdickte Schulter des Gehäuses 203 verläuft. Der untere Abschnitt 211 der Spindel 208 besitzt einen größeren Durchmesser und befindet sich teleskopartig über dem oberen Abschnitt 212 einer oberen Spindel 213. Dieser obere Abschnitt 212 besitzt äußere Keile 214, die wahlweise mit inneren Keilen 215 am unteren Abschnitt 211 der Spindel 208 übereinstimmen, um eine Kupplung zu schaffen, die zum Verhindern einer Relativdrehung dann einrückt, wenn die obere Spindel 213, wie gezeigt ist, in ihrer unteren Position ist, und die zum Ermöglichen dieser Drehung dann ausrückt, wenn die obere Spindel 213 in Aufwärtsrichtung verschoben wird, um die Keile 214, 215 außer Eingriff zu bringen. Der oberste Abschnitt 216 der Spindel 213 besitzt eine Bohrung 217 mit vermindertem Durchmesser zum Schaffen einer Strömungseinschränkung, die über mehreren Umleitungsöffnungen 218 angeordnet ist. Die Öffnungen 218 besitzen eine größere kumulative Strömungsfläche als die Fläche der Strömungseinschränkung 217. Ein Dichtring 220 verhindert einen Verlust durch den Freiraum zwischen dem Spindelabschnitt 216 und dem umgebenden Spindelabschnitt 211. Die Bohrung 221 des Spindelabschnitts 211 oberhalb einer kreisförmigen Schulter 222 ist auf einen größeren Durchmesser vergrößert, so daß ein Teil des durch die Bohrung 221 in Abwärtsrichtung strömenden Schlamms die Einschränkung 217 umgehen und über die Öffnungen 218 in die Bohrung 224 der oberen Spindel 213 eintreten kann. Somit ist ein bedeutender Differenzdruckabfall durch das Werkzeug 200 in Abhängigkeit davon vorhanden, ob die Umleitungsöffnungen 218 für die Schlammströmung geöffnet sind oder nicht.
Die obere Spindel 213 ist am Punkt 225 am oberen Ende einer unteren Spindel 226 angeschraubt und bildet eine nach unten zeigende Schulter 227, die durch eine Schraubenfeder 228 in Eingriff ist. Das untere Ende der Feder 228 drückt gegen eine nach oben zeigende Schulter 230 an dem nach innen zeigenden verdickten Abschnitt 231 des Gehäuseabschnitts 204. Die Schraubenfeder 228 spannt die Spindeln 213, 226 in Aufwärtsrichtung in der Gehäusebaueinheit 201 zu einer Position vor, an der die Kupplungskeile 214, 215 außer Eingriff sind. Die longitudinale relative Position der Spindeln 213, 226 wird durch ein Indexierungssystem 232 (Fig. 11B) gesteuert, das eine drehbare Indexierungshülse 223 mit äußeren Nuten enthält, die mit diametral gegenüberliegenden Stiften 234 am Gehäuseabschnitt 204 zusammenwirken. Die Indexierungshülse 223 ist zwischen einer Schulter 236 an der Spindel 226 und einem Haltering 237 angebracht, der durch eine Halteeinrichtung 238 am Ort gehalten wird. Wie in Fig. 12, die eine entwickelte Draufsicht des äußeren Umfangs von einer Hälfte der Indexierungshülse 223 ist, gezeigt ist, enthält eine Anordnung aus Kanälen oder Nuten, die darin ausgebildet sind und allgemein mit dem Bezugszeichen 240 bezeichnet sind, eine erste Nut 241, die sich bei einem geringen Winkel von einer ersten Tasche 239 zu einer zweiten Tasche 242 in Aufwärtsrichtung neigt, und eine zweite Nut 243, die sich bei demselben Winkel zu einer dritten Tasche 244 in Abwärtsrichtung neigt. Von der Tasche 244 neigt sich bei einem viel steileren Winkel eine vierte Tasche 246 in Auswärtsrichtung und eine fünfte Tasche 247 neigt sich bei demselben steileren Winkel zu einer (nicht gezeigten) Tasche auf der gleichen Ebene wie die Tasche 239 in Abwärtsrichtung. Benachbarte Taschen sind um 45º winkelig beabstandet und sind etwas hinter den Schnittpunkten der Achsen benachbarter Nuten ausgebildet, um ein automatisches "J-Schlitz"-System zu schaffen, bei dem die Indexierungshülse gezwungen ist, sich als Antwort auf die Auf- und Abwärtsbewegungen der Spindeln 213, 226 in der gleichen Drehrichtung zu drehen. Die andere Hälfte der Indexierungshülse 233, die in Fig. 12 nicht gezeigt ist, besitzt einen vollkommen gleichen Satz von darin ausgebildeten Nuten und Taschen. Wenn die Stifte 234 in den obersten Taschen 246 sind, sind die Spindeln 213, 226 in ihrer unteren Position, die in den Fig. 11A und 11B gezeigt ist, bei der die Keile 214, 215 in Eingriff sind, so daß das Exzentergewicht 207 (das auf die Schwerkraft reagiert) die Spindeln fest im Raum halten kann, während die Gehäusebaueinheit 210 und die Indexierungshülse 233 um sie herum gedreht werden. Die Schraubenfeder 228 wird zusammengedrückt, verschiebt die Spindeln 213, 226 jedoch nicht in Aufwärtsrichtung, solange Bohrfluids durch die Verengung 217 in Abwärtsrichtung gepumpt werden, um einen Druckabfall zu erzeugen, der wiederum eine abwärts gerichtete Kraft erzeugt, um die Feder 228 zu betätigen.
Damit das Werkzeug 200 in einem Zustand verriegelt werden kann, in dem der Werkzeugflächenwinkel der Krone 11 vor dem Bohren eines weiteren Abschnitts eines gekrümmten Bohrlochs eingestellt werden kann, ist am Gehäuseabschnitt 204 ein Führungsstift 280 angeordnet, um mit einer schraubenförmigen, in Aufwärtsrichtung weisenden Führungsfläche 281 an der unteren Spindel 226 zusammenzuwirken, die zu einem longitudinalen Schlitz 282 an deren unteren Ende führt. Wenn die Spindel 226 durch die Ausdehnung der Schraubenfeder 228 in Aufwärtsrichtung angehoben wird, gelangt der Führungsstift 280 an der Führungsfläche 281 in Eingriff und bewirkt, daß die Spindeln 213, 226 sowie die versetzte Kupplungshülse 253 am unteren Ende der Spindel 226 sich drehen bis der Schlitz 282 mit dem Stift 280 fluchtet, so daß dieser in den Schlitz eintreten kann. In dieser Position sind die Spindeln 213, 226 und die versetzte Kupplungshülse 253 an der Gehäusebaueinheit 201 in einer festen Ausrichtung drehfest verriegelt, die durch eine eingeritzte Linie auf dem MWD-Werkzeug 19 bezeichnet ist. Dann kann das Bohrwerkzeug 200 durch Manipulieren des Bohrstrangs an der Oberfläche gedreht werden, bis die Werkzeugfläche der Krone 11 den gewünschten Azimut aufweist, was durch Signale vom MWD-Werkzeug 19 bestätigt wird. Während dieser Phase sind die Keile 214 und 215 außer Eingriff und das Gewicht 207 dreht sich nicht.
Der untere Abschnitt 250 der unteren Spindel 226 erstreckt sich durch einen nach innen verdickten Abschnitt 251 des Gehäuseabschnitts 205 und ist in bezug auf diesen durch Dichtringe 252 abgedichtet. Die versetzte Kupplungshülse 253, die am unteren Ende der Spindel 226 durch Gewinde 256 befestigt ist, weist eine innere Bohrung 254 auf, die in bezug auf die Achse 255 des Werkzeuges 200 derart geneigt ist, daß der untere Abschnitt der Bohrung 254 einen Mittelpunkt aufweist, der im wesentlichen auf die Achse 255 ausgerichtet ist, wohingegen der obere Abschnitt der Bohrung einen Mittelpunkt aufweist, der zu dieser Achse seitlich versetzt ist. Eine hohle Antriebswelle 257, die sich durch den unteren Gehäuseabschnitt 206 in Abwärtsrichtung erstreckt, besitzt einen oberen Endabschnitt 258 mit reduziertem Durchmesser, der sich in der geneigten Bohrung 254 der versetzten Kupplungshülse 253 in Aufwärtsrichtung erstreckt, und eine Kugel 260, die an ihrem oberen Ende ausgebildet ist. Die Kugel 260 paßt in eine übereinstimmende Ausnehmung in einem Ring 261, der in der Bohrung 254 gleiten kann, um ein gelenkig angebrachtes Gelenk zu schaffen. Wenn die Kugel 260 und der Ring 261, wie gezeigt ist, im oberen Abschnitt der Bohrung 254 sind, ist die longitudinale Achse 259 der Antriebswelle 257 bei einem geringen Winkel in bezug auf die Werkzeugachse 255 geneigt.
Ein Universal-Kugelgelenkantrieb, der in Fig. 11C allgemein mit dem Bezugszeichen 262 bezeichnet und in der Nähe des unteren Endes der Antriebswelle 257 angeordnet ist, enthält eine Verlängerung 263 mit einer kugelförmigen äußeren Oberfläche 267, die an den übereinstimmenden inneren Oberflächen 267N am Gehäuse 206 und an der Endkappe 264 in Eingriff ist. Die innere Bohrung 265 der Gehäusesektion 206 ist so bemessen, daß möglich ist, daß die Antriebswelle 257 etwas um den Mittelpunkt 266 des U-Gelenks 262 geneigt ist, wenn die Kugelgelenk 260 und der Ring 261 im oberen Teil der geneigten Bohrung 254 sind, wie zuvor erwähnt wurde. Mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Antriebskugeln 268, die in gegenüberliegenden bogenförmigen Ausnehmungen 269 und 269 N in der Verlängerung 263 in Eingriff sind, so daß der untere Abschnitt des Gehäuses 206, der durch die Abschlußkappe 264 verschlossen ist, übertragen ein Moment zur Antriebswelle 257 und somit zur Kronenaufnahme 270 an deren unterem Ende. Die Bohrkrone 11 (Fig. 1) ist an der Kronenaufnahme 270 angeschraubt.
Im Betrieb und im Gebrauch der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 1A bis 11C gezeigt ist, sind die Teile in der Weise zusammengebaut, wie in den Zeichnungen gezeigt ist, wobei das Gehäuse 202 des Exzentergewichtes mit dem unteren Ende des MWD-Werkzeuges 19 verbunden ist. Dann wird der Werkzeugstrang in der Bohrung am Bohrstrang 12 abgesenkt, bis sich die Krone 11 kurz über dem Bohrgrund befindet. Wenn die Bohrkrone 11 auf dem Bohrgrund oder kurz darüber ist, werden die Schlammpumpen an der Oberfläche gestartet, so daß Bohrfluid durch die Bohrungen der Spindeln 213, 226 und der Antriebswelle 257 in Abwärtsrichtung strömt. Die abwärtsgerichtete Kraft auf die Spindeln 213, 226 überwiegt infolge des Druckabfalls über die Einengung 217 die Schraubenfeder 228 und bewirkt, daß sich die Spindeln in Abwärtsrichtung verschieben. Wenn sich die Stifte 234 in den Taschen 239 befinden, dreht sich die Indexierungshülse 233 um 45º bis die Indexierungsstifte 234 in den Taschen 242 sind, wobei eine weitere Bewegung in Abwärtsrichtung gestoppt ist. Die Keile 214, 215 bleiben jedoch außer Eingriff, da die Differenz zwischen den vertikalen Ebenen der Taschen 239 und 242 nicht ausreichend ist, um einen Eingriff zu ermöglichen, und der Verriegelungsstift 280 bleibt im Schlitz 282. Die versetzte Kupplungshülse 253 bewegt sich lediglich eine kurze Distanz in Abwärtsrichtung, so daß die Achsen 255, 259 im wesentlichen zueinander ausgerichtet bleiben. Wenn die Schlammzirkulation wieder hergestellt worden ist, arbeitet das MWD- Werkzeug 19 und überträgt Richtungsinformationen zur Oberfläche. Auf diese Weise kann der Bohrstrang 12 an der Oberfläche langsam gedreht werden, während die Richtungsdaten überwacht werden, bis eine eingeritzte Linie am MWD- Werkzeug, die die Bezugsgröße bei der Ausrichtung der versetzen Kupplungshülse 253 darstellt, den gewünschten Azimut besitzt, bei dem das Bohrloch gebohrt werden soll. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schlammpumpen abgeschaltet und die Schraubenfeder 228 hebt die Spindeln 213, 226 an, bis die Indexierungsstifte 234 durch die Nuten 243 und in die Taschen 244 in der Indexierungshülse 233 fortgeschritten sind, wodurch die Indexierungshülse um zusätzliche 45º gedreht wird. Die verschiedenen Komponenten des Werkzeuges 200 sind nun in die "Geradeaus-Loch"-Positionen zurückgekehrt, die sie innehatten, als das Werkzeug in das Bohrloch abgesenkt wurde. Das heißt, die Keile 214, 215 sind außer Eingriff, so daß das Gewicht 207 abgekoppelt ist, die Achsen 255, 259 ausgerichtet sind und der Verriegelungsstift 280 sich im Schlitz 282 befindet.
Um das Bohren zu beginnen, werden die Schlammpumpen erneut gestartet, so daß der Druckabfall durch das Werkzeug die Spindeln 213, 226 und die versetzte Kupplungshülse 253 wieder in Abwärtsrichtung zwingt. Der Indexierungsstift 234 bewegt sich nun durch die steileren Nuten 245, bis sie in den Taschen 246 zum Halt gelangen. Die vertikale Ebene der Taschen 246 auf der Indexierungshülse 233 ermöglicht einen Betrag der Bewegung der Spindeln 213, 226 in Abwärtsrichtung, der ausreichend ist, damit die Keile 214, 215 in Eingriff gelangen und um die versetzte Kupplungshülse 253 in die in Fig. 11B gezeigte Position zu verschieben, in der die Antriebswelle 257 vollständig geneigt ist. Nun weist die Achse 259 ihren maximalen Winkel in bezug auf die Achse 255 auf, wobei dieser Winkel als Beispiel gewöhnlich im Bereich von 1 bis 3º liegt. Während der Bewegung der Spindeln 213, 226 in Abwärtsrichtung gerät der Verriegelungsstift 280 am Schlitz 282 außer Eingriff und die Führungsfläche 281 ist unterhalb des Stiftes positioniert. Das Werkzeug 200 wird abgesenkt, so daß die Krone 11 am Bohrgrund des Bohrlochs in Eingriff gelangt, und das Gehäuse 201 wird durch den Bohrstrang 12 gedreht, um das Bohren mit einem gewünschten Betrag des Bohrstranggewichts, das darauf aufgebracht wird, zu beginnen. Das Exzentergewicht 207 bleibt infolge der Schwerkraft auf der Unterseite des Lochs und hält über die Keile 214, 215 die Spindeln 213, 226 und die versetzte Kupplungshülse 253 in einem stationären Zustand, wobei die Gehäusebaueinheit 201 um diese Teile rotiert. Die Antriebskugeln 268 übertragen am Universalgelenk 262 Drehmoment von der Gehäusebaueinheit 201 zur Antriebswelle 257 und die Antriebswelle dreht die Krone 11, wobei die Achse 259 der Antriebswelle im Raum stationär bleibt. Somit bleibt die Werkzeugfläche der Krone 11 fest im Raum, wenn das Bohrloch 10 auf einer gekrümmten Bahn gebohrt wird.
Lediglich mit einem mittleren Umfang an Erfahrung ist für einen Bediener an der Oberfläche einfach zu erkennen, in welcher Betriebsart das Bohrwerkzeug ist, indem die Druckanzeigen der Schlammpumpen beobachtet werden. Wenn das Werkzeug 200 für gekrümmtes Bohren eingerichtet ist, sind die Umleitungsöffnungen 218 geschlossen, so daß der Druckabfall infolge der Strömung durch die Einengung 217 einen erkennbar größeren Druck an der Oberfläche erzeugt. Wenn der Druck kleiner ist, ist das Bohrwerkzeug 200 im Bohrmodus "Geradeausloch", bei dem außerdem der Azimut der Werkzeugfläche eingestellt werden kann. Somit können die Pumpen mehrmals ein- und ausgeschaltet werden, so daß der Bediener ein "Gefühl" für die Differenz zwischen den Drücken der an der Oberfläche befindlichen Pumpe erhalten kann, wenn das Werkzeug im Geradeaus- Bohrmodus und im Bohrmodus für ein gekrümmtes Loch ist. Die letzte Position mit abgestellter Pumpe sollte eine Position sein, in der die Antriebswelle 257 der Krone im Geradeaus-Bohrmodus ist.
Nunmehr sollte klar sein, daß ein neues und verbessertes lenkbares Bohrwerkzeug zum Bohren von Richtungsbohrungen offenbart wurde, das durch die Drehung des Bohrstrangs betätigt wird und das in Kombination mit einem MWD- Werkzeug besonders wirkungsvoll ist. Da bestimmte Änderungen oder Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen erfolgen können, ohne vom erfinderischen Konzept abzuweichen, ist beabsichtigt, daß die angefügten Ansprüche alle derartigen Änderungen und Modifikationen abdecken, die in den Erfindungsgedanken und Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. Rotierende, Richtungsbohrwerkzeugvorrichtung (200), umfassend: eine Antriebswelle (27) mit einer Bohrkrone (11) an einem Ende hiervon, wobei die Krone und die Welle eine erste Drehachse (259) besitzen; ein rohrförmiges Gehäuse (201), das eine zweite Drehachse (255) besitzt und so beschaffen ist, daß es durch einen Bohrstrang (12) gedreht wird; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Universalgelenk-Einrichtung (262) zum Verbinden der Antriebswelle mit dem Gehäuse und zum Übertragen von Drehmoment vom Gehäuse an die Antriebswelle und an die Krone; eine schwerkraftempfindliche Einrichtung (207) im Gehäuse, die über eine Spindelbaueinheit (208, 213, 226) mit der Welle gekoppelt ist, um die erste Achse so zu halten, daß die Krone während der Drehung des Gehäuses um die zweite Achse in eine Raumrichtung zeigt, wobei die Spindelbaueinheit eine Kupplungseinrichtung (214, 215) enthält; und eine Einrichtung (216, 217) in der Baueinheit, um die Kupplungseinrichtung einzurücken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Einrücken der Kupplungseinrichtung eine Einrichtung (217) umfaßt, die so beschaffen, daß sie einen Fluiddruck-Abfall durch die Spindelbaueinheit bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spindelbaueinheit obere und untere Spindeln (208, 213-226), die im Gehäuse untergebracht sind, wobei die untere Spindel (213-226) darin longitudinal beweglich ist, eine Einrichtung (253) an der unteren Spindel zum Ausrichten der Achsen in einer Position und zum Fehlausrichten der Achsen in einer weiteren Position, und eine Indexierungseinrichtung (232) an der unteren Spindel und am Gehäuse, um die longitudinale Position der unteren Spindel zu steuern, umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kupplungseinrichtung (214, 215) eine gleitfähige Nut-Feder-Verbindung zwischen den oberen und unteren Spindeln umfaßt, die in der einen Position ausgerückt und in der anderen Position eingerückt ist, um die obere und die untere Spindel entsprechend ab- bzw. anzukoppeln, und bei der die untere Spindel eine elastische Einrichtunn 1228 die die untere Spindel in die erste Position, in der die Achsen ausgerichtet sind, drückt, und eine Strömungsdurchlaßeinrichtung (217), die einen Druckabfall hervorruft, der die untere Spindel in die andere Position, in der die Achsen fehlausgerichtet sind, drückt, umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Einrichtung (280-282) enthält, die die untere Spindel an einer bestimmten Drehposition relativ zum Gehäuse verriegelt, wenn sich die untere Spindel an der einen Position befindet, um durch Drehen des Bohrstrangs die Einstellung der Werkzeugfläche der Krone zu ermöglichen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausrichtungs- und Fehlausrichtungseinrichtung ein Kopplungselement (253) am unteren Ende der unteren Spindel umfaßt, wobei das Kopplungselement eine Bohrung (254) besitzt, die in bezug auf die zweite Achse geneigt ist, und wobei die Antriebswelle eine Schwenkgelenk-Einrichtung (260) umfaßt, die in der Bohrung in Eingriff ist, so daß die erste Achse als Antwort auf die longitudinale Bewegung der unteren Spindel um die Universalgelenk-Einrichtung und in bezug auf die zweite Achse geneigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Indexierungseinrichtung eine an der unteren Spindel angebrachte Hülse (233), die eine Schrägnuteinrichtung (240) besitzt, die sich zwischen longitudinal beabstandeten Niveaus der Hülse erstreckt, sowie ein Stiftmittel (234) am Gehäuse, das mit der Nuteinrichtung und den Niveaus zusammenwirkt, um die Grenzen der longitudinalen Bewegung der unteren Spindel zu definieren, umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Strömungsdurchlaßeinrichtung (217) mehrere Strömungsanschlüsse (218) umfaßt, die so angeordnet sind, daß Bohrtluide, die durch die Vorrichtung strömen, sich in der einen Position durch alle Strömungsanschlüsse bewegen und sich in der anderen Position durch weniger als alle Strömungsanschlüsse bewegen, um an der Erdoberfläche einen Hinweis auf die longitudinale Position der unteren Spindel zu erzeugen.

9. Verfahren zum Bohren eines gerichteten Bohrlochs mit einer Bohrkrone (11), die am unteren Ende eines rotierenden Bohrstrangs (12) durch eine angelenkte Antriebswelle (27) angebracht ist, wobei die Antriebswelle und die Krone eine erste Drehachse (259) besitzen und der Bohrstrang eine zweite Drehachse (255) besitzt, umfassend die folgenden Schritte: Übertragen von Drehmoment vom Bohrstrang an die Antriebswelle und an die Krone, wobei die erste Achse die zweite Achse unter einem kleinen Winkel schneidet, so daß das Bohrloch längs einer gekrümmten Bahn gebohrt wird; Verwenden einer schwerkraftempfindlichen Einrichtung, die mit der Welle über eine Spindelbaueinheit (208, 213, 226) gekoppelt ist, um die Orientierung der ersten Achse, die in eine Raumrichtung zeigt, während der Drehung der Krone durch den Bohrstrang aufrechtzuerhalten; Pumpen von Bohrfluid im Bohrstrang nach unten und durch die Spindelbaueinheit; vorübergehendes Anhalten und dann erneutes Beginnen des Pumpens von Bohrfluid durch die Spindelbaueinheit; und als Antwort auf die Anhalte- und Neubeginn-Schritte Ausrichten der Achsen, so daß der Bohrvorgang gerade voraus fortgesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das dann, wenn das gerichtete Bohren erneut begonnen wird, den weiteren Schritt des rotatorischen Orientierens des Bohrstrangs (12), während die Achsen in der Weise ausgerichtet sind, daß die Antriebswelle und die Krone eine ausgewählte Werkzeugfläche besitzen, umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das die weiteren Schritte des vorübergehenden Anhaltens und dann des erneuten Beginnens des Pumpschrittes, und als Antwort auf die zuletzt erwähnten Anhalte- und Pumpschritte des Fehlausrichtens der Achsen, um zu ermöglichen, daß die Krone das Bohrloch längs einer gekrümmten Bahn bohrt, umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, das den weiteren Schritt des Verhinderns des Verwendungsschrittes, wenn die Achsen ausgerichtet sind, umfaßt.