DE69815187T2

DE69815187T2 - Element für einen drehenden Bohrstrang

Info

Publication number: DE69815187T2
Application number: DE69815187T
Authority: DE
Inventors: Jean Gilbert Boulet
Original assignee: S M F INTERNATIONAL COSNE SUR
Current assignee: S M F INTERNATIONAL COSNE SUR
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2018-03-07
Also published as: DE69815187D1; NO981140D0; EP0866209A1; EP0866209B1; FR2760783B1; ATE242419T1; US6056073A; FR2760783A1; NO981140L; NO319236B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Element für einen rotierenden Bohr- Strang.
Im Bereich der Erkundung und des Abbaus von Erdölvorkommen verwendet man rotierende Bohrstränge, die aus Stangen und anderen rohrförmigen Elementen bestehen, die in Abhängigkeit von den Anforderungen der Bohrung stumpf aneinander gesetzt werden.
Derartige Bohrstränge können insbesondere die Durchführung von abgelenkten Bohrungen gestatten, das heißt Bohrungen, deren Neigung gegen die Vertikale oder deren Azimutrichtung während der Bohrung geändert werden kann.
Im Fall von abgelenkten Bohrungen großer Abweichung, die horizontale oder praktisch horizontale Abschnitte aufweisen, können die Reibungsmomente infolge der Drehung des Bohreinsatzes während der Bohrung sehr hohe Werte erreichen. Die Reibungsmomente können die verwendeten Einrichtungen und/oder die Ziele der Bohrung in Frage stellen. Außerdem ist das Heraufholen des durch die Bohrung erzeugten Bohrkleins häufig sehr schwierig, da sich der im Bohrloch erzeugte Bohrschutt im unteren Teil des Bohrlochs in Nähe des Bohrwerkzeugs absetzt. Dies hat eine schlechte Reinigung des Bohrlochs und eine gleichzeitige Zunahme der Reibungskoeffizienten der Stangen des Strangs im Inneren des Bohrlochs und der Kontaktflächen zwischen den Stangen und den Wänden der Bohrung zur Folge.
Um den Reibungskoeffizient und die Kontaktfläche zwischen dem Bohrstrang und den Bohrlochwandungen zu verringern, hat man vorgeschlagen, Vorrichtungen zu verwenden, die eine Manschette aufweisen, die auf dem Bohrstrang so montiert werden kann, dass der Bohrstrang im Inneren der Manschette, drehbar ist, die von selbst mit der Wand des Bohrlochs in Kontakt kommt und die auf diese Weise bezüglich Drehung blockiert ist. Die Manschette bildet ein Lager, innerhalb dessen der Bohrstrang drehbar montiert ist.
Die Kontaktfläche zwischen dem Bohrstrang und der Wand der Bohrung ist auf die Zonen des Kontakts der bezüglich Drehung blockierten Manschetten mit der Wand des Bohrlochs begrenzt, da die Manschetten einen Gesamtaußendurchmesser besitzen, der größer als der Durchmesser der Stangen des Bohrstrangs ist. Im Allgemeinen sind auf der Außenfläche der bezüglich Drehung blockierten Manschetten Nuten vorgesehen, die schraubenförmig sein können und die den Umlauf des Bohrschlamms in dem ringförmigen Raum zwischen der Wandung des Bohrlochs und dem Bohrstrang gestatten. Da die Manschetten bezüglich Drehung blockiert sind, gestatten sie nicht, den Umlauf des Bohrfluids, das den durch das Bohrwerkzeug erzeugten Abfall mitnimmt, zu Aktivieren. Die Aufgabe der bekannten Vorrichtungen beschränkt sich also darauf, die Reibung zwischen den Stangen und dem Bohrloch zu verringern.
Andererseits sind Bohrstangen oder Bohrgarnituren bekannt, die auf ihrer Außenfläche schraubenförmige Nuten besitzen, wobei diese Stangen oder Garnituren mit dem Bohrstrang in Drehung versetzt werden. Diese Teile der Bohrstangen in Form von archimedischen Schrauben sind jedoch nicht dafür ausgelegt, die Mitnahme des Bohrfluids und des in diesem Fluid in Suspension befindlichen Bohrkleins zu begünstigen, sondern die Gefahren der Verklebung durch Druckdifferenz im Bohrloch zu beseitigen.
US-5,040,620 beschreibt ein Element eines Bohrstrangs, das auf seiner Außenfläche schraubenförmige Nuten aufweist, deren Querschnitt einen hinterschnittenen Teil besitzt. Dieses Element besitzt eine Außenfläche mit konstantem Durchmesser, so dass es auf seiner ganzen Länge an der Wand des Bohrlochs während der Bohrung anliegt, was nicht die Begrenzung der Reibung des Bohrstrangs gestattet.
US-4,995,466 beschreibt einen Stabilisator für einen Bohrstrang, der mindestens eine Manschette aufweist, die an dem Bohrloch zum Anliegen kommt und die an dem mit dem Bohrstrang fest verbundenen rohrförmigen Stabilisatorkörper drehbar montiert ist und durch einen Betätigungsmechanismus bezüglich Drehung blockiert werden kann.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, ein Element für einen rotierenden Bohrstrang zu schaffen, der mindestens einen rohrförmigen Abschnitt umfasst, dessen Außenfläche mindestens eine Nut aufweist, die gemäß einer Schraube angeordnet ist, deren Achse die Achse des Abschnitts ist, und die einen Querschnitt in einer zur Achse des Abschnitts senkrechten Ebene aufweist, der einen hinterschnittenen Teil besitzt, der hinter einem Radius des Querschnitts des Abschnitts gelegen ist, der durch das äußere Ende des Querschnitts der Nut gelegt ist, das, in Drehrichtung des Bohrstrangs gesehen, hinter der Nut gelegen ist, wobei dieses Bohrstrangelement die Aktivierung des Umlaufs des Fluids und des Bohrkleins, die Verbesserung der Reinigung des ringförmigen Raums des Bohrlochs und die Verringerung der Reibungen zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch gestattet.
Zu diesem Zweck ist der Querschnitt der Nut, der unsymmetrisch ist, am hinteren Teil der Nut durch eine im Wesentlichen gerade Linie abgegrenzt, die mit dem Radius des Querschnitts des Abschnitts einen negativen Hinterschneidungswinkel bildet, und weist ferner eine an den rohrförmigen Abschnitt angrenzende Auflagefläche auf, deren maximaler Außendurchmesser mindestens gleich dem maximalen Durchmesser der Stangen des Bohrstrangs ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Element für einen Bohrstrang, das ein Zwischenanschlussstück zwischen zwei Stangen bildet und einen rotierenden Abschnitt aufweist, der mit Einrichtungen zur Verbindung mit den Bohrstangen versehen ist und dessen Außenfläche eine Nut aufweist, die einen Querschnitt besitzt, der einen hinterschnittenen Teil aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Element für einen Bohrstrang, das aus einer Bohrstange besteht, die in ihrer Länge mindestens zwei Abschnitte aufweist, die eine Außenfläche besitzen, die eine Nut aufweist, deren Querschnitt einen hinterschnittenen Teil besitzt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Elements für einen Bohrstrang beschrieben, wobei auf die beiliegende Bezeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen.
Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrstrangelements,
Fig. 1A einen Schnitt nach A-A von Fig. 1,
Fig. 1B einen Querschnitt nach B-B von Fig. 1,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrstrangelements,
Fig. 2A einen Querschnitt nach A-A von Fig. 2,
Fig. 2B einen Querschnitt nach B-B von Fig. 2,
Fig. 3 eine Seitenteilansicht einer abgewandelten Ausführungsform des in Figur. 2 dargestellten Bohrstrangelements,
Fig. 3A einen Schnitt nach A-A von Fig. 3.
Das Bohrstrangelement gemäß einer ersten Ausführungsform, das in den Fig. 1, 2A und 1B dargestellt ist, ist in Form eines Zwischenanschlussstücks zwischen zwei Stangen eines Bohrstrangs ausgeführt.
Das allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Zwischenanschlussstück umfasst einen rohrförmigen Körper 2, der aus zwei Teilen 2a, 2b besteht, die in gegenseitiger axialer Verlängerung durch Verschraubung aneinander befestigt sind, und eine Manschette 3, die auf dem Körper 2 des Anschlussstücks 1 mit einem gewissen radialen Spiel montiert ist und zwischen den Teilen 2a und 2b des Körpers bezüglich Translation blockiert ist.
Der Teil 2a des Körpers 2 bildet den unteren Teil des Anschlussstücks und besitzt einen kegelstumpfförmigen, mit Gewinde versehenen Teil 4a, der den Anschluss des Teils 2a des Anschlussstücks 1 an eine Stange des Bohrstrangs gestattet, die bezüglich des Zwischenanschlussstücks 1 nach unten gelegen ist, das heißt in der Richtung des am Ende des Strangs befestigten Bohrwerkzeugs.
Der Teil 2b des Körpers 2 bildet den oberen Teil des Anschlussstücks und besitzt eine kegelstumpfförmige, mit Innengewinde versehene Öffnung 4b, die die Verbindung des Zwischenanschlussstücks 1 mit einer Stange des Bohrstrangs gestattet, die oberhalb des Zwischenanschlussstücks 1 angeordnet ist, das heißt in Richtung der Oberfläche, von der aus die Bohrung vorgenommen wird. Der Teil 2a des Körpers 2 besitzt ferner an seinem dem mit Gewinde versehenen Teil 4a entgegengesetzten Ende einen zweiten mit Gewinde versehenen Teil, und der zweite Teil 2b des Körpers des Anschlussstücks 1 besitzt an seinem Ende, das dem die Öffnung 4b mit Innengewinde aufweisenden Ende entgegengesetzt ist, eine zweite mit Innengewinde versehene Öffnung. Die beiden Teile 2a und 2b des Körpers 2 des Anschlussstücks 1 können miteinander verbunden werden, indem das zweite mit Gewinde versehene Ende des Teils 2 in das Innere der zweiten, mit Innengewinde versehenen Öffnung des oberen Teils 2b des Körpers 2 eingeschraubt wird.
Vor der Verbindung der beiden Teile des Körpers 2 durch Verschraubung wird die Manschette 3 auf einen glätten zylindrischen Teil des Körpers 2 aufgesteckt, der unter dem zweiten mit Gewinde versehenen Ende des unteren Teils 2a des Körpers 2 gelegen ist.
Der Innendurchmesser der Manschette 3 ist etwas größer als der Außendurchmesser des glatten zylindrischen Teils des unteren Abschnitts 2a des Körpers 2. Auf diese Weise ist der Körper 2 des Zwischenanschlussstücks 1 im Inneren der Manschette 3 frei drehbar montiert.
Die Manschette 3 ist außerdem in axialer Translationsbewegung zwischen den beiden Abschnitten 2a und 2b des Körpers 2 dadurch blockiert, dass der untere Abschnitt 2a unter der glatten zylindrischen Zone gegenüber dem unteren Ende der Manschette 3 einen Teil 5 aufweist, der bezüglich des glatten zylindrischen Teils radial vorsteht, und dass der obere Abschnitt 2b des Körpers 2 an seinem unteren Ende gegenüber dem oberen Ende der Manschette 3 einen radial vorstehenden Teil 5'aufweist. Nach der Verbindung der zwei Abschnitte 2a und 2b des Körpers 2 des Anschlussstücks 1 durch Verschraubung ist der axiale Abstand zwischen dem oberen Ende des Teils 5 des Abschnitts 2a und dem unteren Ende des Abschnitts 2b etwas größer als die Länge der Manschette 3 in der axialen Richtung. Der Körper 2 ist auf diese Weise im Inneren der Manschette 3 frei drehbar montiert, die ihrerseits auf dem glatten zylindrischen Teil des Abschnitts 2a durch den unteren Teil 5' des Abschnitts 2b gehalten wird.
Wenn das Zwischenanschlussstück 1 über den mit Gewinde versehenen Teil 4a des unteren Abschnitts 2a bzw. über die mit Innengewinde versehene Öffnung 4b des Abschnitts 2b des Körpers 2 zwischen zwei Stangen des Bohrstrangs befestigt ist, sind die beiden Teile des Bohrstrangs zu beiden Seiten des Zwischenanschlussstücks 1 koaxial angeordnet und haben als Achse die Achse 7, die den beiden in einer koaxialen Anordnung zusammengefügten Abschnitten 2a und 2b gemeinsam ist.
Die Manschette 3 besitzt auf ihrer Außenfläche radial vorstehende Blätter 6, die in einer bezüglich der Achse 7 des Zwischenanschlussstücks 1 leicht geneigten Richtung angeordnet sind.
Der Gesämtaußendurchmesser der Manschette 3 ist etwas größer als der Durchmesser der Endteile der Abschnitte 2a und 2b des Körpers 2 des Anschlussstücks 1 und als der Durchmesser der Stangen des Bohrstrangs. Das am Ende des unteren Teils des Bohrstrangs angeordnete Bohrwerkzeug stellt ein Bohrloch her, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser der Stangen des Bohrstrangs und etwas größer als der Gesamtaußendurchmesser der Manschette 3 ist. Wenn der Bohrstrang sich im Inneren des Bohrlochs befindet, wird die Manschette 3 über die Blätter 6 an der Wandung des Bohrlochs blockiert. Infolgedessen dreht sich der Bohrstrang im Inneren der Manschette 3, die ein Lager für den rotierenden Bohrstrang bildet.
Die Manschette 3 ist vorzugsweise in Form eines Verbundelements ausgeführt und besitzt einen rohrförmigen zylindrischen Teil aus Metall, der mit einer Außenhülle bedeckt ist, die aus einem Verschleißmaterial oder aus Gummi bestehen kann und die auf ihrer Außenfläche schräge und radial vorstehende Blätter 6 aufweist.
Die Verwendung der Manschette 3 gestattet die Verringerung der Reibung des Bohrstrangs im Inneren des Bohrlochs, und zwar dadurch, dass die Reibungsflächen auf die Außenflächen der im Inneren des Bohrlochs aufliegenden Blätter 6 beschränkt sind. Es wird natürlich eine Vielzahl von Zwischenanschlussstücken verwendet, die jeweils zwischen zwei Stangen des Bohrstrangs oder zwischen zwei rohrförmigen Garniturelementen befestigt sind.
Derartige Vorrichtungen gestatten zwar die Verringerung der Reibung des Bohrstrangs und das Ablösen des durch das Bohrwerkzeugs ausgebrochenen Schutts im ringförmigen Raum, das heißt in dem Raum zwischen der Oberfläche des Bohrlochs und dem Bohrstrang.
Erfindungsgemäß besitzt mindestens ein Teil des Körpers 2 der Zwischenanschlussstücke des Bohrstrangs und vorzugsweise der untere Abschnitt 2a der Zwischenanschlussstücke Profilnuten 8, die längs einer Schraube angeordnet sind, deren Achse die Achse 7 des Zwischenanschlussstücks ist.
Wie in Fig. 1A sichtbar ist, besitzt der untere Abschnitt 2a des Körpers 2 des Anschlussstücks 1 längs seines Umfangs fünf Nuten 8a, 8b, 8c, 8d und 8e, deren Querschnitte identisch sind und sich voneinander durch Drehung von 72º um die Achse 7 des Abschnitts 2a ableiten, die in Fig. 1A mit dem Mittelpunkt O des Querschnitts des Abschnitts 2a dargestellt ist.
Die Querschnitte der in Fig. 1A gezeigten Nuten sind asymmetrisch und sind im Inneren des Abschnitts 2a durch eine gekrümmte Linie 9a und eine im Wesentlichen gerade Linie 9b abgegrenzt, die mit dem Radius OA des Abschnitts 2a einen spitzen Winkel β bildet, wobei der auf der Außenfläche des Abschnitts 2a gelegene Punkt A eines der Enden des Querschnitts der Nut 8 bildet.
In Fig. 1A ist ferner mit einem Pfeil die Drehrichtung Ω des Abschnitts 2 des an dem Bohrstrang starr befestigten Zwischenanschlussstücks dargestellt, wenn der Bohrstrang im Inneren des Bohrlochs in Drehung versetzt wird.
Der Teil 9b des Innenumrisses der Nuten ist, in Drehrichtung Ω gesehen, bezüglich des Radius OA nach hinten gerichtet.
Der Winkel β oder Hinterschneidungswinkel, der durch den hinteren geradlinigen Teil 9b des Querschnitts dar Nut und den Radius OA definiert wird, wird als negativ betrachtet, wobei die Drehrichtung Ω als positiver Sinn genommen wird.
Jede der Nuten 8 besitzt einen Teil 10, der, in Drehrichtung Ω gesehen, hinter dem Radius OA liegt, wobei der Punkt A von dem Außenende des Querschnitts der Nut gebildet wird, das, in der Drehrichtung Ω gesehen, auf dem Querschnitt hinten liegt.
Der Teil der Nuten 8, der als Querschnitt den hinter dem Radius OA gelegenen Querschnittsteil 10 hat, bildet einen Hinterschneidungsteil der Nuten, der hinter den Radien der Querschnitte des Abschnitts 2a vertieft ausgearbeitet ist, die jeweils den Mittelpunkt eines Querschnitts mit einem Außenende der Nut verbinden, das an dieser Nut hinten gelegen ist.
Wie Fig. 1 zeigt, besitzen die Nuten gegenüber der Achse 7 einen mittleren Neigungswinkel α, der der Winkel der Neigung der Schraube ist, längs welcher sich die Nut 8 erstreckt.
Außerdem haben die Nuten 8 eine Tiefe, die zwischen ihren unteren und oberen Endteilen und ihrem mittleren Teil ansteigt. Durch die Schraubenform der Nuten und die Neigung dieser Nuten bezüglich der Achse des Körpers 2 des Zwischenanschlussstücks 1 von unten nach oben nach rechts erhält man während der Drehung des Bohrstrangs eine archimedische Schraubenwirkung. Diese archimedische Schraubenwirkung erzeugt jedoch, wie oben erläutert wurde, an sich allein nur eine sehr geringe Aktivierung des Bohrfluids, das das Bohrklein im ringförmigen Raum bei der Bohrung mitnimmt, wenn die Bohrstange sich in der in Fig. 1A angegebenen Richtung dreht.
Die Tatsache, dass die Nuten 8 einen hinterschnittenen Teil besitzen, gestattet dagegen eine starke Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und des Bohrkleins. Der hinterschnittene Teil 10 der Nuten 8 hat während der Drehung des Bohrstrangs eine Schöpfwirkung. Das Bohrfluid und das im Bohrfluid in Suspension befindliche Bohrklein werden durch diese hinterschnittenen Teile der Nuten zurückgehalten und in Drehung mitgenommen, so dass das Fluid und das Bohrklein in Zusammenwirkung mit den schraubenförmigen Nuten, die bezüglich der Achse des Zwischenanschlussstücks um einen Winkel α geneigt sind, nach oben mitgenommen werden. Durch die Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und des Bohrkleins nach oben sowie durch das Rühren, das bei der Drehung des die Nuten 8 aufweisenden profilierten Teils des Körpers des Anschlussstücks bewirkt wird, können Gefahren der Ansammlung von Bohrklein im ringförmigen Raum und insbesondere in Nähe des Bohrlochbodens vermieden werden.
Der Hinterschneidungsteil der Nuten gestattet die Reinigung des Bohrlochs, indem das Bohrklein von der Wand des Bohrlochs abgelöst wird, während die Neigung der Nuten bezüglich der Achse eine Begünstigung der axialen Mitnahme des Bohrfluids und des Bohrkleins bewirkt.
Man kann die Winkel α und β beispielsweise auf einen Wert zwischen 10º und 80º festlegen, wobei die Werte der Winkel α und β so gewählt werden können, dass der Umlauf des Bohrkleins optimiert wird.
Die Farm und die Tiefe des Hinterschneidungsteils der Nuten 8 wird ebenfalls so gewählt, dass die Ablösung und die Mitnahme des Bohrkleiris im ringförmigen Raum des Bohrlochs nach oben optimiert werden.
Im Fall des Bohrstrangelements, das von einem Zwischenanschlussstück gebildet wird, wie es oben beschrieben wurde, verringert man die Reibungen des Bohrstrangs im Inneren des Bohrlochs gleichzeitig durch die Verwendung einer Manschette, die die Begrenzung der Kontaktfläche und der Reibung zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch gestattet, und durch das Vorhandensein der Nuten, die eine Abfuhr des Bohrkleins und eine Vermeidung einer Ansammlung dieses Bohrkleins zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch gestattet.
Zur Begrenzung des Verschleißes der Außenfläche 11 des Körpers 2 des Zwischenanschlussstücks zwischen den Nuten 8 kann die Außenfläche 11 mit einer Austauschfläche aus einem verschleißfesten Material bedeckt sein.
Die auf dem Körper 2 drehbar montierte Buchse 3 kann aus einem Stück ausgeführt sein, das axial auf den glatten zylindrischen Teil des Körpers 2 aufgesteckt wird und dann bei dem Zusammenbau der beiden Teile des Körpers 2 auf die oben beschriebene Weise bezüglich axialer Translationsbewegung blockiert wird.
Die einstückige Buchse kann auch zwischen einer radial vorstehenden Auflagefläche, die auf einem Teil des Körpers ausgearbeitet ist, und einem auf einem zweiten Teil des Körpers des Zwischenanschlussstücks aufgefalzten Ring axial blockiert sein.
Die Buchse kann auch aus mehreren Teilen und vorzugsweise aus zwei Teilen bestehen, die seitlich auf die Oberfläche des Körpers des Zwischenanschlussstücks aufgesetzt werden und dann beispielsweise unter Verwendung von Montagestiften miteinander verbunden werden. Man kann auch eine Buchse verwenden, die aus zwei Teilen besteht, die durch Scharniere verbunden sind, die für das Aufstecken auf den Körper des Zwischenanschlussstücks in die geöffnete Stellung gebracht werden können und dann in die geschlossene Stellung um den Körper herum gebracht werden und durch Stifte oder Schrauben miteinander verbunden werden.
Die auf dem Körper des Zwischenanschlussstücks drehbar montierte Buchse kann auch durch eine zylindrische Auflagefläche ersetzt werden, die auf dem Körper ausgearbeitet ist. Die zylindrische Auflagefläche kann Nuten aufweisen, die den Umlauf des Fluids in dem ringförmigen Raum auf Höhe der zylindrischen Auflagefläche gestatten.
In diesem Fall verwendet man eine angebrachte Buchse, die auf dem Körper des Zwischenanschlussstücks drehbar montiert ist und die im Inneren des Bohrlochs blockiert werden kann, wobei diese Buchse aus einem einfachen Teil aus Stahl bestehen kann, das auf seiner seitlichen Außenfläche so bearbeitet ist, dass es Nuten oder Rillen aufweist, die den Umlauf des Kühlfluids und eine Verringerung der Auflagefläche an der Wand des Bohrlochs gestatten. Die auf dem Körper des Zwischenanschlussstücks drehbar montierte Buchse kann auch als Verbundelement ausgeführt sein, wie oben beschrieben wurde. In diesem Fall kann die Buchse vorzugsweise einen rohrförmigen Kern aus Metall aufweisen, der mit einem Verschleißmaterial bedeckt ist oder in eine Buchse aus Elastomer eingebettet ist, die auf ihrer Außenfläche Rippen oder Blätter zur Auflage auf der Wand des Bohrlochs aufweist.
Die Buchse kann auf einem glatten Teil des Körpers des Zwischenanschlussstücks drehbar so montiert sein, dass sie ein glattes Lager bildet, oder auf einem Teil des Körpers über ein Kugellager oder über ein Rollenlager drehbar montiert sein.
In allen Fällen hat die Buchse oder die feststehende Auflagefläche zur Auflage auf der Wand des Bohrlochs einen Außendurchmesser, der gleich dem maximalen Durchmesser des Abschnitts des Körpers des Zwischenanschlussstücks im oberen Endbereich der Nuten oder etwas größer als dieser ist.
Zur Reduzierung der Reibungen des Bohrstrangs im Inneren des Bohrlochs und zur Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und des Bohrkleins kann man eine Vielzahl von Zwischenanschlussstücken verwenden, die mit dem oben beschriebenen Anschluss identisch sind, wobei jeder dieser Zwischenanschlussstücke zwischen zwei Stangen des Bohrstrangs befestigt ist.
Zur Reduzierung der Reibungen und zur Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids kann man auch ein oder mehrere erfindungsgemäße Bohrstrangelemente verwenden, die jeweils aus einer Bohrstange bestehen, die eine besondere Struktur besitzt, die im Nachstehenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 2A, 2B und 2C beschrieben wird.
In Fig. 2 ist eine Bohrstange dargestellt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist und so ausgebildet ist, dass sie ein erfindungsgemäßes Bohrstrangelement bildet, das die Verringerung der Reibungen und die Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und des Bohrkleins im Inneren des Bohrlochs gestattet, wenn die Bohrstange 12 auf einem Bohrstrang eingesetzt ist, der für die Bohrung des Lochs verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Bohrstrangelement kann entweder aus einer laufenden Bohrstange des Bohrstrangs oder aus einer schweren Stange, einer Zwischenstange oder einer Kompressionsstange bestehen.
In allen Fällen entspricht der allgemeine Aufbau der Stange · dem Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Stange 12.
Die Bohrstange 12 besitzt einen lang gestreckten rohrförmigen Körper, der an einem seiner Enden bzw. am oberen Ende eine kegelstumpfförmige mit Innengewinde versehene Öffnung 14a besitzt, die die Verbindung der Stange 12 mit einer Stange des Bohrstrangs gestattet, die oberhalb der Stange 12, das heißt in Richtung der Oberfläche, von welcher aus die Bohrung durchgeführt wird, gelegen ist.
Die Stange 12 besitzt an ihrem der mit Innengewinde versehenen Öffnung 14 entgegengesetzten Ende einen mit Außengewinde versehenen kegelstumpfförmigen Teil 14b, der die stumpfe Verbindung der Stange 12 mit einer Bohrstrangstange gestattet, die unter der Stange 12, das heißt in Richtung des Bohrwerkzeugs, gelegen ist.
Die Stange 12, die ein erfindungsgemäßes Bohrstrangelement bildet, besitzt auf seiner Länge in bezüglich der Enden und des zentralen Teils der Stange im Wesentlichen abstandsgleichen Lagen zwei identische Auflageeinheiten 13a und 13b, die die Verringerung der Reibungen und die Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids im ringförmigen Raum des Bohrlochs gestatten.
Jede der Auflageeinheiten 13a und 13b besitzt eine zentrale Auflagezone zur Auflage auf der Wand des Bohrlochs und zwei zu beiden Seiten der zentralen Zone angeordnete Endteile, in denen die Bohrstange so bearbeitet ist, dass sie schraubenförmige Nuten aufweist.
Im Nachstehenden wird nur die obere Auflageeinheit 13a beschrieben, da die Auflageeinheit 13b mit der Einheit 13a identisch ist.
Die Auflageeinheit 13a besitzt eine zentrale Zone, die aus einem Auflageteil 15a besteht, dessen zylindrische Außenfläche so bearbeitet ist, dass er schraubenförmige Nuten 16 aufweist.
Der Auflageteil 15a ist durch Bearbeitung der Außenfläche der Bohrstange in der zentralen Zone mit der Bohrstange einstückig ausgebildet.
Die in der zentralen Zone ausgearbeiteten Nuten 16 besitzen eine im Wesentlichen konstante Tiefe, wie in Fig. 2A dargestellt ist, und gestatten den Umlauf des Bohrfluids auf Höhe des Auflageteils 15a.
Zu beiden Seiten des Auflageteils 15a ist die Bohrstange so bearbeitet, dass sie zwei Endteile 17a und 17'a der Auflageeinheit 13a bildet, die die Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und des Bohrkleins im ringförmigen Raum gestattet.
Die Teile 17a und 17'a bilden hydraulische Profile zur Aktivierung des Umlaufs des Fluids, die allgemein der Nuten 8 aufweisenden Zone des in Fig. 1 dargestellten Zwischenanschlussstücks entsprechen.
Wie in den Fig. 2 und 2B dargestellt ist, besitzt der Teil 17'a der Auflageeinheit 13a eine Vielzahl von Nuten 18'a, deren Querschnittsform der Form des Querschnitts der Nuten 8 des in Fig. 1A dargestellten Zwischenanschlussstücks 1 entspricht.
Es ist deshalb nicht erforderlich, den Querschnitt des Teils 17'a der in Fig. 2B dargestellten Auflagezone 13a zu beschreiben, da dieser Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt des Teils 2a des in Fig. 1A dargestellten Zwischenanschlussstücks in der die Nuten 8 aufweisenden Zone entspricht.
Der Teil 17'a der Auflagezone 13a besitzt insbesondere fünf schraubenförmige Nuten 18'a, deren allgemeine Richtung mit der Achse 19 der Stange 12 einen Winkel α bildet und deren Querschnitt einen Hinterschneidungsteil 20 aufweist, wie er diesbezüglich bei dem in den Fig. 1, 1A und 1B dargestellten Zwischenanschlussstück 1 definiert wurde.
Der Querschnitt der Nuten 18'a wird hinten durch eine im Wesentlichen gerade Linie begrenzt, die einen spitzen Winkel β oder Hinterschneidungswinkel mit dem Radius des Querschnitts der Stange bildet, der durch das Außenende des Querschnitts der Nut gelegt ist, das im hinteren Teil der Nut gelegen ist, wobei dieses Außenende der Nut sich auf der Außenfläche der Stange befindet.
Der Querschnitt des Teils 17a der Auflage 13a ist mit dem Querschnitt des Teils 17'a identisch und besitzt schraubenförmige Nuten 18a, deren Querschnitt mit dem Querschnitt der Nuten 18'a identisch ist.
Die Außenfläche der Stange 12 in den Endzonen 17a und 17'a der Auflagezone 13a ist eine Rotationsfläche, deren Drehachse die Achse 19 der Stange ist und von der mindestens ein Teil eine Erzeugungskurve von der Form eines Kreisbogens besitzt. Der Endteil 17a der Stange besitzt auf diese Weise eine Rotationsaußenfläche, deren Erzeugungskurven mindestens in der Zone der Verbindung des Teils 17a mit dem laufenden Teil der zylindrischen Stange 12 aus Kreisbögen mit dem Radius R1 besteht. Ebenso besitzt der Teil 17'a der Stange 12 eine Außenfläche von der Form einer Rotationsfläche, deren Drehachse die Achse 19 er Stange ist und deren Erzeugende mindestens in der Zone der Verbindung dieses Teils 17'a mit dem zentralen Teil der zylindrischen Stange aus Kreisbögen mit dem Radius R2 bestehen.
Die Radien R1 und R2, die gleich sein können,, haben eine Länge von mindestens einem Meter.
Der mittlere Teil der Auflagezone 13a, der das Auflageteil 15a bildet, besitzt eine zylindrische Form und einen Durchmesser, der etwäs größer als der Durchmesser der Enden der Teile 17a und 17'a der Stange ist, die an den zentralen Teil 15a anschließen. Dieser Durchmesser kann auch im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Anschlussenden der Teile 17a und 17'a sein.
Das Auflageteil 15a kann auch so bearbeitet sein, dass seine Außenfläche eine Rotationsform und Erzeugende besitzt, die von Kreisbögen mit einem Radius R3 gebildet werden, der gleich den Radien R1 und R2 der Kreisbögen sein kann, die die Erzeugenden der Außenfläche der Endteile 17a und 17'a bilden.
Die Radien R1 und R2 sind vorzugsweise gleich groß. Der Radius R3 der Erzeugenden der Außenfläche des mittleren Auflageteils 15a kann gleich dem Radius R1 oder R2 sein oder die Außenfläche kann, wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, gerade Erzeugende besitzen, das heißt einen unendlich großen Radius R3.
Der Außendurchmesser des Auflageteils 15a ist allgemein mindestens gleich dem maximalen Durchmesser der Teile 17a und 17'a oder größer als dieser und bildet den maximalen Durchmesser der Bohrstange. Der Durchmesser des Auflageteils 15a ist seinerseits etwas kleiner als der Durchmesser des Bohrlochs.
Wenn der die Stange 12 aufweisende Bohrstrang im Inneren des Bohrlachs in Drehung versetzt wird, gestattet das Auflageteil 15a der Auflageeinheiten 13a die Verringerung der Reibung zwischen der Bohrstange und der Wand des Bohrlochs, und die oben beschriebenen hydraulischen Profile der Teile 17a und 17'a gestatten eine Aktivierung des Umlaufs des Bohrfluids und das Ablösens des Bohrkleins, was eine verbesserte Reinigung im ringförmigen Raum des Bohrlochs gestattet.
Die zweite Auflageeinheit 13b der Bohrstange 12 erfüllt dieselben Funktionen wie die erste Auflageeinheit 13a. Diese zweite Auflageeinheit besitzt insbesondere Endteile 17b und 17'b, die in der Form von hydraulischen Profilen ausgebildet sind, die mit den Teilen 17a und 17'a der ersten Auflageeinheit 13a identisch sind.
Die Querschnitte dieser hydraulischen Profile 17b und 17'b sind mit dem in Fig. 2B dargestellten Querschnitt identisch.
In Fig. 3 ist ein Teil einer Bohrstange 22 dargestellt, die gemäß einer Abwandlung der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ausgeführt ist. Die Bohrstange 22 besitzt zwei identische Auflageeinheiten, von denen in Fig. 3 nur eine dargestellt ist.
Die Auflageeinheit 23 besitzt einen mittleren Teil, der aus einer Manschette 25 besteht, die auf der Stange 22 angebracht ist, welche im Inneren der Maschine 25 drehbar montiert ist. Zu beiden Seiten der Manschette 25 besitzt die Auflageeinheit 22 zwei Teile 27 und 27', die mit den Teiler. 17a und 17'a oder 17b und 17'b der in Fig. 2 dargestellten Stange 12 identisch sind.
Wie in Fig. 3A zu sehen ist, besteht die Manschette 25 aus zwei Teilen 21 und 21', die die Form von zwei halbzylindrischen rohrförmigen Teilen haben, die seitlich auf einen Teil der Stange 22 aufgesteckt werden können, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Teile 27 und 27' ist, und die auf Höhe von Verbindungszonen durch Stifte oder Keile 26 miteinander verbunden sind. Die Manschette 25 ist auf diese Weise auf der Stange 22 in axialer Translationsbewegung blockiert.
Wenn der die Stange 22 aufweisende Bohrstrang im Inneren des Bohrlochs in Drehung versetzt wird, kommt die Manschette 25, deren Durchmesser größer als der maximale Durchmesser der Bohrstange ist, an der Wand des Bohrlochs in Anlage und wird auf diese Weise bezüglich Drehung blockiert.
Die Stange 22 dreht sich im Inneren der Manschette 25, die die Funktion eines glatten Lagers erfüllt. Auf diese Weise wird die Reibung des Bohrstrangs reduziert.
Die Manschette 25 kann natürlich auf ihrer Außenfläche Nuten oder Rillen aufweisen, die den Umlauf des Bohrfluids erleichtern und die Kontaktfläche zwischen dem Bohrstrang und der Wand des Bohrlochs reduzieren.
Die Manschette 25 kann einstückig oder als Verbundelement ausgeführt sein, wie oben hinsichtlich der Manschette 3 des Zwischenanschlussstücks 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Bohrstange ausgeführt ist, kann diese Bohrstange eine einzige Auflageeinheit im mittleren Teil der Stange oder mehrere Auflageeinheiten besitzen, die auf der Länge der Bohrstange verteilt angeordnet sind.
Im Allgemeinen verwendet man zwei Auflageeinheiten, die bezüglich der Mitte der Stange symmetrisch angeordnet sind, oder auch drei Auflageeinheiten, von denen eine im mittleren Teil der Stange gelegen ist und die beiden anderen bezüglich der Enden der Stange abstandsgleich angeordnet sind.
Jede der Auflageeinheiten kann eine Manschette, in der die Bohrstange drehbar montiert ist, oder ein mit der Bohrstange einstückig ausgeführtes Auflageteil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispielen beschränkt.
Die in dem oder den rohrförmigen Abschnitten ausgearbeiteten Nuten, die hydraulische Profile für die Aktivierung des Umlaufs des Fluids und das Ablösen des Bohrkleins bilden, können eine Form haben, die von der beschriebenen Form abweicht. Diese Nuten können eine Tiefe besitzen, die sich auf ihrer Länge ändert oder im Wesentlichen konstant ist. Die Höchsttiefe der Nuten kann an die gewünschte Aktivierungswirkung angepasst werden.
In allen Fällen besitzen die Nuten natürlich einen Hinterschneidungsteil, der einen mehr oder weniger großen Teil des Querschnitts der Nut einnimmt, so dass die Wirkung der Ablösung des Bohrkleins durch das hydraulische Profil geregelt wird. Der negative Hinterschneidungswinkel des Querschnitts der Nuten kann so gewählt werden, dass die Wirkung der Mitnahme des Bohrfluids und des Ablösens des Bohrkleins unter Berücksichtigung des Winkels α der Neigung der schraubenförmigen Nuten optimiert wird.
Die hydraulische Profile bildenden Stangenabschnitte können eine von fünf abweichende Anzahl von Nuten aufweisen, und zwar beispielsweise vier Nuten in 90º voneinander oder drei Nuten in 120º um die Achse der Stange.
Das erfindungsgemäße Bohrstrangelement, das hydraulische Profile zur Mitnahme des Bohrfluids und des Bohrkleins besitzt, kann anstelle von einem Zwischenanschlussstück oder einer Bohrstange, wie sie als Beispiele beschrieben wurden, auch von einem anderen Element gebildet werden.

Claims

1. Element für einen rotierenden Bohrstrang, umfassend mindestens einen rohrförmigen Abschnitt (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27'), dessen Außenfläche mindestens eine Nut (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 18a, 18'a) aufweist, die gemäß einer Schraube angeordnet ist, deren Achse die Achse (7, 19) des Abschnitts ist, und die einen Querschnitt in einer zur Achse (7, 19) des Abschnitts (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') senkrechten Ebene aufweist, der einen hinterschnittenen Teil (10, 20) besitzt, der hinter einem Radius (OA) des Querschnitts des Abschnitts (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') gelegen ist, der durch das äußere Ende (A) des Querschnitts der Nut gelegt ist, das, in Drehrichtung (Q) des Bohrstrangs gesehen, hinter der Nut gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nut (8, 18a, 18'a), der unsymmetrisch ist, am hinteren Teil der Nut durch eine im wesentlichen gerade Linie (9b) abgegrenzt ist, die mit dem Radius (OA) des Querschnitts des Abschnitts einen negativen Hinterschneidungswinkel (β) bildet, und daß es ferner eine an den rohrförmigen Abschnitt (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') angrenzende Auflagefläche (3, 13a, 13b, 23) aufweist, deren maximaler Außendurchmesser mindestens gleich dem maximalen Durchmesser der Stangen des Bohrstrangs ist.

2. Element für einen Bohrstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (8, 18a, 18'a) bezüglich der Achse (7, 9) des Abschnitts (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') von unten nach oben in einem Winkel (x) geneigt ist.

3. Element für einen Bohrstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hinterschneidungswinkel (β) zwischen 10º und 80º liegt.

4. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (2a, 17a, 17'a, 17b, 17'b,) fünf Nuten (8, 18a, 18'a) aufweist, deren Stellungen auf dem Umfang des Abschnitts sich voneinander durch Drehung von 72º um die Achse (7, 9) des Abschnitts ableiten.

5. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Zwischenanschlußstück (1) zwischen zwei Bohrstangen des Bohrstrangs bildet und daß es folgendes aufweist:

- einen rohrförmigen Körper (2), der an seinen Längsenden Mittel (4a, 4b) zum Verbinden des Körpers (2) des Zwischenanschlußstücks (1) mit einer ersten bzw. mit einer zweiten Stange des Bohrstrangs besitzt und auf dem mindestens ein rohrförmiger Abschnitt (2a) gebildet ist, dessen Außenfläche mindestens eine Nut (8) aufweist, und

- eine Manschette (3), die auf einem Teil des Körpers (2) des Zwischenanschlußstücks (1) drehbar montiert ist, der an den rohrförmigen Teil (2a) anschließt, der die Nut (8) mit einem hinterschnittenen Teil (10) aufweist, wobei der Außendurchmesser der Manschette (3) mindestens gleich dem Durchmesser des Abschnitts (2a) des Körpers (2) des Zwischenanschlußstücks (1) in seinem der Manschette (3) benachbarten Teil ist, so daß der Auflageteil (3) des Elements (1) gebildet wird.

6. Element für einen Bohrstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (3) in axialer Translationsbewegung zwischen zwei durch Verschraubung zusammengefügten Abschnitten (2a, 2b) des Körpers (2) blockiert ist.

7. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 5 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (2a) des Körpers (2) des Zwischenanschlußstücks (1) auf einem Teil (11) seiner nicht von der Nut (8) eingenommenen Außenfläche mit einem verschleißfesten Werkstoff beschichtet ist.

8. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Bohrstange (12, 22) des Bohrstrangs bildet, die mindestens eine Auflageeinheit (13a, 13b, 23) aufweist, die einen zentralen Auflageteil (15a, 15b, 25) und zwei rohrförmige Abschnitte (17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') besitzt, deren Außenfläche mindestens eine Nut (18a, 18'a) aufweist und die zu beiden Seiten des mittleren Auflageteils (15a, 15b, 25) gelegen sind.

9. Element für einen Bohrstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Auflageteil (15a, 15b) der Auflageeinheit (13a, 13b) der Bohrstange (12) aus einer Auflagefläche besteht, die mit der Bohrstange (12) einstückig hergestellt ist und einen Außendurchmesser besitzt, der den maximalen Durchmesser der Bohrstange (12) bildet.

10. Element für einen Bohrstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Auflageteil (25) der Auflageeinheit (23) der Bohrstange (22) aus einer angebrachten rohrförmigen Manschette (25) besteht, die so an der Bohrstange (22) befestigt ist, daß die Bohrstange (22) im Inneren der Manschette (25) drehbar ist und daß die Manschette (25) in axialer Translationsbewegung bezüglich der Bohrstange (22) blockiert ist.

11. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Abschnitte (17a, 17'a, 17b, 17'b, 27, 27') der Auflageeinheiten (13a, 13b, 23) der Bohrstange (12, 22) eine Rotationsaußenfläche besitzen, die Erzeugende aufweist, von denen mindestens ein Teil die Form eines Kreisbogens mit einem Radius von mindestens gleich einem Meter besitzt.

12. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Auflageteil (15a, 15b, 25) der Auflageeinheiten (13a, 13b, 23) der Bohrstange (22) eine Außenfläche besitzt, die eine Rotationsform hat, deren Erzeugende die Form von Kreisbögen besitzen, deren Radius mindestens gleich einem Meter ist.

13. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstange (12, 22) zwei Auflageeinheiten (13a, 13b, 23) besitzt, die sich bezüglich des mittleren Teils der Stange (12, 22) in abstandsgleichen Anordnungen befinden.

14. Element für einen Bohrstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstange (12, 22) drei Auflageeinheiten aufweist, von denen eine im mittleren Teil der Bohrstange (22) und die beiden anderen bezüglich der Enden der Bohrstange (22) in abstandsgleichen Anordnungen gelegen sind.