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Gestängerohrverbindung 1)ie "1'iefliohrteclinik hat sich im wesentlichen
vom schlagenden Trockenl)dhren zum drehenden Spülbohren entwickelt. Eine Schwierigkeit,
unabhängig vom Bohrverfahren, ist jedoch in dem Auftreten von Nachfall bestehengeblieben,
der dadurch hervorgerufen wird, daß sich Teile aus den verschiedenen durchbohrten
Gebirgsschichten lösen und im Bohrloch hinabfallen. Wohl wurde mit der Einführung
der Dickspülung, von der die Bohrlochwiinde mit einer Tonschicht verschmiert und
damit gegen Einsturz gesichert werden, Gier Nachfall verringert. Ihn ganz zu beseitigen,
ist jedoch bisher nicht glungen. Zwar liegt beim schlagenden Bohren die Erklärung
nahe, claß durch die Aufundal>l>ewegung des Bohrgestänges mit den hervortretenden
Kanten seinerVerbindungsteile empfindlicheGebirgsschichten der Hohrlochwand trotz
der Dickspülung verletzt und herausgeschlagen werden; aber beim drehenden Bohren,
wo das Bohrgestänge sich an .der Bohrlochwand mehr-oder weniger abwälzt und den
von der Spülung aufgetragenen Ton immer wieder anschmiert, sollte erwartet werden,
daß kein Nachfall mehr entstehen kann. Jedoch auch hier wird der Nachfall beobachtet,
und alle damit verbundenen Schwierigkeiten treten in Erscheinung; so muß z. 13.
nachgebohrt werden, oder der Bohrmeißel wird fest, und mit ihm gehen unter Umständen
hunderte von Metern Bohrgestänge verloren, obwohl zu ihrer Rettung zeitraubende
Fangarbeiten unternommen werden;, oder es tritt schließlich die Notwendigkeit ein,
vorzeitig zu verrohren, weil das Bohrloch zusammenzustürzen droht. Damit wird die
!Aussicht, das Ziel der Bohrung, besonders wenn sie auf Erdöl angesetzt wurde, verringert
oder sogar
überhaupt nicht erreicht, weil die verlangte Teufe nicht
mehr mit einem produktionsfälligen Durchmesser erzielt werden kann.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dal) der Nachfall bzw. die
Zerstörungen in der 13ohrlochwandung vornehmlich durch den Spiilstroni bedingt sind.
Dieser erfährt beim Vorbeiströmen an den Verbindungsteilen, hervorgerufen durch
den größeren Außendurchmesser der Verbinder gegenüber dem der Gestängerohre, Geschwindigkeitsänderungen,
die infolge der strömungstechnisch schlechten Übergänge zur Wirbelbildung und damit
zu Auswaschungen an der Bohrwand fuhren. Diese Auswaschungen werden dadurch erheblich
gefördert, daß der Spülstrom kleinere und größere Teile ,des abgebohrten Gebirges,
Bohrschmand genannt, mit sich führt. Die durch die Verbinder hervorgerufenen Querschnittsverengungen
des freien Bohrlochquerschnitts sind erheblich, wie nachstehende Zahlentafel für
einige Beispiele erkennen läßt:
| Durchmesser des Bohrloches . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 270,0 19o,5 152,4 mm |
| Außendurchmesser des Gestängerohres...................
141,3 114,3 88,9 mm |
| Außendurchmesser des Gestängeverbinders...............
177,8 146,1 117,5 mm |
| Spülmenge........................................... 0,038
o,017 0,012 m' Sek. |
| Ringquerschnitt zwischen Bohrloch und Gestängerohr
..... 0,0417 0,0182 0,0121 m'@ |
| - - Bohrloch und Verbinder . . . . . . . . 0,0320 0,0117 0,0074
m'' |
| Strömungsgeschwindigkeit am Gestängerohr..............
o,91 0,93 o,99 m' Sek. |
| _ _ am Verbinder . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,19 1,45
1,62 ;' Sek. |
| Geschwindigkeitsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 310/6 56 o/o 64% m; Sek. |
Die Abmessungen der für diese Beispiele gewählten Verbinder sind die der meist gebrauchten
sog. Tooljoints nach den Normen des American Petroleum Institute (A. P. J.) und
dem deutschen Normenblatt DIN E 5839. Abb. i stellt einen Längsschnitt durch einen
solchen Verbinder und seine Lage im Bohrloch dar. Die rechtwinklig zur Rohrachse
abgedrehte Schulter a des Verbinders muß zur kräftigen Wirbelbildung Veranlassung
gellen.
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Neuerdings sind Bohrgestänge, insbesondere solche mit vorgeschweißten
Gewindeenden, entwickelt worden (s. Abt). 2), die einen Übergangskonus b zwischen
dein Gestängerolir und dem im Durchmesser größeren Gewindeteil aufweisen, der einen
besseren Spannungsverlauf bei den auftretenden mechanischen Beanspruchungen herbeiführen
soll. Die Neigung dieses Überganges, die mit 18 bis 20° zur Rohrachse ausgeführt
wird, ist jedoch noch viel zu groß, um bei der Geschwindigkeit des Spülstromes eine
Wirbelbildung auszuschließen. 1)1e angegebene Neigung des Übergangs ist im übrigen
auch nicht aufGrund strömungstechnischer Überlegungen entstanden; ihre Festlegung
erfolgte vielmehr mit Rücksicht darauf, daß beim Ausbauen der Gestängerohrtour mit
Hilfe eines Elevators die Radialkräfte auf diesen in zulässigen Grenzen bleiben
müssen.
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Uni die Wirbelbildung im Spülstrom und damit die :\uswaschungen der
Bohrlochwand zii verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem der olleren
Öffnung des Bohrloches zugewendeten Cbergang zwischen dem im Außendurchmesser stärkeren
\'erhindungsteil und dem im Außendurchmesser schwächeren Gestängerohr eine stromlinienförinige
Gestalt zu geben oder ihn näherungsweise als flachen Konus mit nicht über io°, vorzugsweise
nicht über 6° Neigung zur Rohrachse auszubilden. Für den der Sohle des Bohrloches
zugewendeten Übergang wird die bisher gebräuchliche, rechtwinklige Schulter oder
der steile, dem Elevatorgerät angepaßte Konus in bekannter Weise beibehalten.
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Zwar ist in den letzten Jahren den Strömungsverhältnissen im Bohrloch
Beachtung geschenkt worden mit dem Ziel, den Förderdruck der Spülpumpen möglichst
niedrig zu halten. So führten die Vorschläge z. B. zu Rohrverbindern mit im Verbinder
nicht verengtem Strömungsquerschnitt; hierbei bleiben die sieh verschlechternden
Verhältnisse zwischen ßohrlochwand und Gestänge aber unberücksichtigt. Ferner ist
vorgeschlagen worden, die Verbindungsteile auf den gleichen Durchmesser zu bringen,
wie ihn das Gestängerohr hat. Hierbei wird zwar jede Wirbelbildung im Bohrloch vermieden,
jedoch treten statt dessen neue Nachteile auf, indem der Strömungsquerschnitt im
Innern des Gestänges so weit verengt wird, daß derartige Verbinder für größere Tiefen
mit Rücksicht auf die erzielbaren Pumpendrucke nicht mehr verwendet «-erden können,
und schließlich besteht keine Möglichkeit mehr, die außen glatten Gestänge mit Hilfe
der bisher verfügbaren 1llevatoreinrichtungen ein-und ausbauen zu können.
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Demgegenüber wird mit der Gestängeverbindung nach der Erfindung nichts
an den bisher üblichen Querschnittsverhältnissen im Bohrloch geändert; auch kann
die bisherige Arbeitsweise hinsichtlich des Ein- und Ausbringens der Gestängetour
unverändert beibehalten werden. Mit der Erfindung wird lediglich die zur Zerstörung
der Bohrlochwand führende Wirbelbildung bei Verwendung von im Außendurchmesser verstärkten
Verbindern verhindert. Erfindungsgemäß können auch die Verbindungsstellen an den
innerhalb der Verbindung vorhandenen Übergängen stromlinienförmig ausgebildet werden,
wodurch der Strömungswiderstand verringert und-dadurch die Pumpenbelastung herabgesetzt
wird. Entsprechend den Strömungsgesetzen ist es vor allem wesentlich, den nach der
Sohle des Bohrloches gerichteten Übergang stromlinienförmig oder näherungsweise
mit sehr schlankem Konus auszubilden.
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In Abb. 3 ist ein Beispiel für eine Gestängerohrverbindung nach der
Erfindung im Längsschnitt dargestellt. Mit c ist die Wand des Bohrloches und mit
d der der öffnung des Bohrloches zugewendete
stromlinienförmige
1?1>ergang zwischen den Verbindungsteileii und <lern Gestängerohr 1>ezeiclinet.
1>-er Spülstrom hat ini Inneren des Gestänges die Richtung e und außerhalb des Gestänges
die Richtung f. Der der Sohle des Bohrloches zugewendete lrl>ergang kann in bisher
üblicher Weise als steiler Konus g oder als rechtwinklige Schulter h ausgebildet
«-erden. Das _lusfiihrungsbeispiel stellt eine \Ierbindung mit vorgeschweißten Verbindungsteilen
dar, wofür die Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar ist. Selbstverständlich
ist die Erfindung in gleicher `'eise z. B. auch bei Nippelverbindungen anwendbar.