EP0254900B1 - Stabilisator für Bohrgarnituren - Google Patents

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EP0254900B1
EP0254900B1 EP87109543A EP87109543A EP0254900B1 EP 0254900 B1 EP0254900 B1 EP 0254900B1 EP 87109543 A EP87109543 A EP 87109543A EP 87109543 A EP87109543 A EP 87109543A EP 0254900 B1 EP0254900 B1 EP 0254900B1
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EP
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stabilizer
region
envelope
stabilizer according
transition region
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EP0254900A3 (en
EP0254900A2 (de
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Burley Glasscock
Clyde Walker
Haraldur Karlsson
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Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Original Assignee
Eastman Christensen Co
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/10—Wear protectors; Centralising devices, e.g. stabilisers
    • E21B17/1078—Stabilisers or centralisers for casing, tubing or drill pipes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/22—Rods or pipes with helical structure

Definitions

  • the invention relates to a stabilizer for deep drilling tools according to the preamble of claim 1.
  • Such a stabilizer is inserted at predetermined intervals in the deep drilling tool or its drill pipe string or arranged on it in order to be able to control the course of the drilling direction, to prevent the bit from drifting sideways and to increase the drilling performance by centering the bit about its axis of rotation. If it is a deep drilling tool with direct chisel drive, with which both directional drilling and straight drilling can be carried out, a distinction must be made between two operating phases, namely a directional drilling phase in which the stabilizer with its outer surfaces is moved longitudinally along the borehole wall without turning, and a straight drilling phase, in which the stabilizer is rotated in addition to the longitudinal displacement.
  • the stabilizer In order to obtain an unhindered passage of the flushing liquid flowing upward in the borehole annulus, the stabilizer is provided on its periphery with stabilizer fins, the outer surfaces of which are in contact with the borehole wall only in a limited area of the enveloping surface and delimit flushing channels between them.
  • stabilizer fins In the case of inclined boreholes and the associated one-sided radial loading of the stabilizer, secure centering is achieved in that the stabilizer fins are of spiral design and thus offer a contact surface with the borehole wall in every rotational position of the stabilizer.
  • the spiral can be designed as a left or right-hand spiral.
  • Such a stabilizer is known from US-A 4,396,234.
  • the invention has for its object to provide a stabilizer of the type mentioned with spirally arranged stabilizer fins so that blocking of the stabilizer or removal of the formation is avoided when drilling the stabilizer in the borehole during drilling work.
  • the stabilizers shown in Figures 1 to 3 each have a base body 1, on the circumference of which several, e.g. three stabilizer fins or ribs 2 are arranged. These are designed in the form of a right-handed spiral and each delimit a mud channel 3 between them for the passage of mud liquid flowing upward in the borehole annulus.
  • the spiral shape of the stabilizer fins 2 ensures that there is contact between the stabilizer outer surfaces 4, the stabilizer fins 2 and the borehole wall in every rotational position of the stabilizer, be it that the outer surface 4 only one stabilizer fin 2 comes to rest against the borehole wall , be it that the outer surfaces 4 of the overlapping ends of two stabilizer fins 2 together form a contact surface.
  • the outer surface 4 has a main region 5 and a transition region 6 adjoining a flushing channel.
  • the main region 5 is described by a rotationally symmetrical envelope 7, and the transition region 6 is inward relative to the envelope 7, that is to say to the tool axis towards, drawn in or directed.
  • that edge region is formed which points towards the bottom of the borehole in the direction 13. If the stabilizer is moved axially in the direction of the drilling progress without turning in the direction of the arrow 13, the transition region 6 slides over the formation of the borehole wall without it being able to penetrate into the formation. This prevents the stabilizer from blocking or removing the formation.
  • FIGS. 5 to 7 For the formation of the transition area 6, three examples are illustrated in FIGS. 5 to 7.
  • the transition region 6 is kinked relative to the main region 5 and runs flat, that is to say in a straight line in the cross-sectional illustration.
  • the transition area 6 is shown as a curved surface, with a constant radius of curvature 8.
  • the transition area also forms a curved surface te area, but with a radius of curvature that becomes smaller towards the adjacent mud channel 3.
  • combinations of the three versions are also possible, or even courses that follow a different mathematical function, insofar as they are directed inwards.
  • the envelope 7 For use in directional drilling of boreholes, it may be expedient to give the envelope 7 a surface that deviates from the preferred cylindrical shape. Such designs are expedient in which the envelope 7 tapers at least to one end of the stabilizer, but preferably to both ends, i.e. approximates the tool axis.
  • a stabilizer is designed so that the envelope 7 of the outer surfaces 4 of the stabilizer fins is cylindrical only in a central region 10 of the stabilizer, but is conical towards the ends of the stabilizer in regions 11 and 12.
  • the cone regions 11 and 12 can be designed symmetrically or, as shown in FIG. 2, asymmetrically.
  • 3 finally shows an envelope 7 which is of spherical design.
  • the envelope 7 has a combination of cylindrical, conical and spherical regions or also has another mathematical function, provided the envelope 7 tapers to at least one of the end regions.
  • a stabilizer is designed with such an envelope 7, it may be sufficient to provide the transition region 6 of the stabilizer fins 2 only in the middle and lower region 10, 12 of the stabilizer and to design the outer surface 4 in the entire width in a rotationally symmetrical manner, such as that is indicated in Fig. 2.
  • the contour of the stabilizer fins 2 results in a contour which may not only have simple cone areas at its ends, but instead also have more complex boundaries.
  • the stabilizer fin 2 which can be fastened to the base body 1 via a support body 14, is provided in the region of its upper end with a conical inclined surface 15, which has a partial region 16 of the outer surface 4 of the stabilizer fin that adjoins downward in the direction of the arrow 13 2 includes an angle 17, which can be between 30 and 45 ° .
  • This sub-area 16 of the outer surface 4 can be followed by a further sub-area 18 at a very acute angle, which includes a sub-area 16 with an angle 19 of 1 to 4 ° , preferably 2 ° .
  • a first lower inclined surface 20 extends to the partial region 18 at an angle 21 on the order of 6 to 15 ° , and the first lower inclined surface 20 can merge into a second lower inclined surface 22 which forms an angle 23 of approximately 30 with the surface of the support body 14 up to 45 ° .
  • the stabilizer fin 2 illustrated in FIG. 8 is provided with a coating 24 made of hard material, which extends only over the partial areas 16, 18 and 20 of the outer surface 4.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für Tiefbohrwerkzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiger Stabilisator wird in vorgegebenen Abständen in das Tiefbohrwerkzeug bzw. dessen Bohrrohrstrang eingefügt oder auf diesem angeordnet, um den Verlauf der Bohrrichtung steuern zu können, den Meißel am seitlichen Driften zu hindern und die Bohrleistung durch Zentrieren des Meißels um seine Rotationsachse zu steigern. Handelt es sich um ein Tiefbohrwerkzeug mit Meißeldirektantrieb, mit dem sowohl Richtbohr- als auch Geradeausbohrarbeiten durchgeführt werden können, so ist zwischen zwei Betriebsphasen zu unterscheiden, nämlich einer Richtbohrphase, in der der Stabilisator ohne Mitdrehen mit seinen Außenflächen in Längsrichtung entlang der Bohrlochwand verschoben wird, und einer Geradeausbohrphase, in der der Stabilisator zusätzlich zur Längsverschiebung mitgedreht wird. Um einen ungehinderten Durchtritt der im Bohrlochringraum aufwärtsstromenden Spülungsflüssigkeit zu erhalten, ist der Stabilisator auf seinem Umfang mit Stabilisatorflossen versehen, deren Außenflächen nur in einem begrenzten Bereich der umhüllenden Oberfläche mit der Bohrlochwand in Berührung stehen und zwischen sich Spülungskanäle begrenzen. Bei geneigten Bohrlöchem und damit einhergehender einseitiger radialer Belastung des Stabilisators wird eine sichere Zentrierung dadurch erreicht, daß die Stabilisatorflossen spiralförmig ausgebildet sind und somit in jeder Drehlage des Stabilisators eine Anlagefläche mit der Bohrlochwand bieten. Die Spirale kann als eine links- oder rechtsdrehende Spirale ausgefuhrt sein.
  • Ein solcher Stabilisator ist aus der US-A 4 396 234 bekannt.
  • Insbesondere bei reiner Längsverschiebung im Bohrloch, wie sie vor allem bei Richtbohrarbeiten vorkommen, neigen die Stabilisatorflossen dazu, mit ihren an die Spülungskanäle angrenzenden Randbereichen in die Formation einzudringen und die Weiterbewegung zu blockieren oder die Formationen in unerwünschter Weise abzutragen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stabilisator der eingangs genannten Art mit spiralförmig angeordneten Stabilisatorflossen so auszubilden, daß bei reiner Längsverschiebung des Stabilisators im Bohrloch während Bohrarbeiten ein Blockieren des Stabilisators oder ein Abtragen der Formation vermieden ist.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem Stabilisator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Patentansprüche 2 bis 10 verwiesen.
  • Bei einem Stabilisator mit axial verlaufenden Stabilisatorflossen gemäß der FR-A-1 521 208 ist es zwar bekannt, die in Drehrichtung des Stabilisators vorlaufende Kante abzuschrägen, um so ein Übergleiten der Stabilisatorflossen über die Formation der Bohrlochwand zu erleichtern. Wegen der axialen Ausrichtung der Stabilisatorflossen können die Randbereiche aber bei reiner Längsverschiebung des Stabilisators im Bohrloch ohnehin nicht in die Formation eindringen.
  • Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 bis 3 drei unterschiedliche Ausführungen des erfindungsgemäßen Stabilisators mit rechtsdrehender Spirale in Seitenansicht,
    • Fig 4 einen Querschnitt durch den mittleren Bereich der Stabilisatoren gemäß Fig. 1 bis 3,
    • Fig. 5 bis 7 verschiedene Ausgestaltungen des Übergangsbereichs von Stabilisatorflossen in abgebrochenen Querschnitten, und
    • Fig. 8 eine Stabilisatorflosse in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, zur Veranschaulichung eines speziellen Konturverlaufes.
  • Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Stabilisatoren haben jeweils einen Grundkörper 1, auf dessen Umfang mehrere, z.B. drei Stabilisatorflossen oder -rippen 2 angeordnet sind. Diese sind in Form einer rechtsdrehenden Spirale ausgebildet und begrenzen zwischen sich jeweils einen Spülungskanal 3 für den Durchtritt von im Bohrlochringraum aufwärtsströmender Spülungsflüssigkeit. Durch die spiralförmige Ausbildung der Stabilisatorflossen 2 wird erreicht, daß in jeder Drehlage des Stabilisators ein Kontakt zwischen den Stabilisator-Außenflächen 4, der Stabilisatorflossen 2 und der Bohrlochwand besteht, sei es, daß die Außenfläche 4 nur einer Stabilisatorflosse 2 an der Bohrlochwand zur Anlage kommt, sei es, daß die Außenflächen 4 der sich überlappenden Enden von zwei Stabilisatorflossen 2 gemeinsam eine Anlagefläche bilden.
  • Die Ausgestaltung der Außenflächen 4 der Stabilisatorflossen 2 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Wie sich aus der Querschnittsdarstellung ergibt, hat die Außenfläche 4 einen Hauptbereich 5 und einen an einen Spülungskanal angrenzenden Übergangsbereich 6. Dabei wird der Hauptbereich 5 durch eine rotationssymmetrische Umhüllende 7 beschrieben, und der Übergangsbereich 6 ist gegenüber der Umhüllenden 7 nach innen, also zur Werkzeugachse hin, eingezogen bzw. gerichtet. Als Übergangsbereich 6 im vorstehenden Sinne ist derjenige Randbereich ausgebildet, der in Richtung 13 auf die Bohrlochsohle weist. Wird der Stabilisator ohne Mitdrehen in Pfeil-Richtung 13 axial in Richtung des Bohrfortschritts verschoben, so übergleitet der Übergangsbereich 6 die Formation der Bohrlochwandung, ohne daß es zu einem Eindringen in die Formation kommen kann. Ein Blockieren des Stabilisators oder ein Abtragen der Formation wird dadurch vermieden.
  • Fur die Ausbildung des Übergangsbereiches 6 sind in den Fig. 5 bis 7 drei Beispiele veranschaulicht. In Fig. 5 ist der Übergangsbereich 6 gegenüber dem Hauptbereich 5 abgeknickt und verläuft ebenflächig, d.h. in der Querschnittsdarstellung geradlinig. In Fig. 6 ist der Übergangsbereich 6 als gekrümmte Fläche dargestellt, und zwar mit einem gleichbleibenden Krümmungsradius 8. In Fig. 7 bildet der Übergangsbereich ebenfalls eine gekrümmte Fläche, jedoch mit einem zum benachbarten Spülungskanal 3 hin kleiner werdenden Krümmungsradius. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der drei Ausführungen möglich oder auch Verläufe, die einer anderen mathematischen Funktion folgen, soweit sie nach innen gerichtet sind.
  • Für den Einsatz beim Richtbohren von Bohrlöchern kann es zweckmäßig sein, der Umhüllenden 7 eine von der bevorzugten zylindrischen Form abweichende Oberfläche zu geben. Dabei sind solche Gestaltungen zweckmäßig, bei denen sich die Umhüllende 7 zumindest zu einem Ende des Stabilisators, vorzugsweise jedoch zu beiden Enden hin verjüngt, d.h. der Werkzeugachse annähert. In Fig.2 ist ein Stabilisator so ausgeführt, daß die Umhüllende 7 der Außenflächen 4 der Stabilisatorflossen nur in einem mittleren Bereich 10 des Stabilisators zylindrisch ausgebildet ist, in Bereichen 11 und 12 zu den Enden des Stabilisators hin jedoch konisch ist. Die Konusbereiche 11 und 12 können dabei symmetrisch oder auch, wie in Fig. 2 gezeigt ist, unsymmetrisch ausgeführt sein. Fig. 3 zeigt schließlich eine Umhüllende 7, die ballig ausgebildet ist.
  • Neben den in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungen sind auch solche denkbar, bei denen die Umhüllende 7 eine Kombination aus zylindrischen, konischen und balligen Bereichen aufweist oder auch einer anderen mathematischen Funktion folgt, sofern sich die Umhüllende 7 zu wenigstens einem der Endbereiche verjüngt.
  • Wird ein Stabilisator mit einer solchen Umhüllenden 7 ausgeführt, so kann es ausreichend sein, den Übergangsbereich 6 der Stabilisatorflossen 2 lediglich im mittleren und unteren Bereich 10,12 des Stabilisators vorzusehen und im oberen Bereich 11 die Außenfläche 4 in gesamter Breite rotationssymmetrisch auszubilden, wie das in Fig. 2 angedeutet ist. Wie die Fig. 8 veranschaulicht, ergibt sich für die Stabilisatorflossen 2 je nach Gestaltung der Umhüllenden 7 eine Kontur, die nicht nur einfache Konusbereiche an ihren Enden, sondern statt dessen auch komplexere Begrenzungen aufweisen kann. So ist die Stabilisatorflosse 2, die über einen Stützkörper 14 auf dem Grundkörper 1 befestigt sein kann, im Bereich ihres oberen Endes mit einer konischen Schrägfläche 15 versehen,die mit einem nach unten hin in Richtung des Pfeiles 13 angrenzenden Teilbereich 16 der Außenfläche 4 der Stabilisatorflosse 2 einen Winkel 17 einschließt, der zwischen 30 und 45° liegen kann. An diesen Teilbereich 16 der Außenfläche 4 kann sich mit sehr spitzem Winkel noch ein weiterer Teilbereich 18 anschließen, der mit dem Teilbereich 16 eineb Winkel 19 von 1 bis 4°, vorzugsweise 2° einschließt. Eine erste untere Schrägfläche 20 verläuft zum Teilbereich 18 unter einem Winkel 21 in der Größenordnung von 6 bis 15°, und die erste untere Schrägfläche 20 kann in eine zweite untere Schrägfläche 22 übergehen, die mit der Oberfläche des Stützkörpers 14 einen Winkel 23 von etwa 30 bis 45° einschließt. Im übrigen ist die in Fig. 8 veranschaulichte Stabilisatorflosse 2 mit einer Beschichtung 24 aus Hartmaterial versehen, die sich lediglich über die Teilbereiche 16,18 und 20 der Außenfläche 4 erstreckt.

Claims (10)

1. Stabilisator fur Tiefbohrwerkzeuge, bestehend aus einem Grundkörper (1) mit auf seinem Umfang spiralförmig angeordneten Stabilisatorflossen oder -rippen (2), die zwischen sich Spülungskanäle (3) begrenzen und mit der Bohrlochwand in Berührung kommende, verschleißfeste Außenflächen (4) besitzen, die einen Hauptbereich (5) und an die Spülungskanäle (3) angrenzende Randbereiche aufweisen, wobei der Hauptbereich (5) durch eine zur Längsachse des Stabilisators rotationssymmetrische Umhüllende (7) beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in Richtung (13) auf die Bohrlochsohle weisende Randbereich (6) der Stabilisatorrippen einen gegenüber der Umhüllenden (7) nach innen eingezogenen Übergangsbereich bildet.
2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Übergangsbereich (6) einen ebenflächigen Verlauf aufweist.
3. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Übergangsbereich (6) eine gekrümmte Fläche mit gleichbleibendem Krümmungsradius (8) darbietet.
4.Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (6) gekrümmte Fläche mit zum Spülungskanal (3) hin kleiner werdendem Krümmungsradius (9) darbietet.
5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) des Hauptbereichs (5) zylindrisch ist.
6. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch aekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) nur in einem mittleren Bereich (10) zylindrisch und in wenigstens einem der zu den Enden des Grundkörpers (1) hin weisenden Bereiche (11,12) konisch und/oder ballig ausgebildet ist.
7. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) insgesamt ballig ausgebildet ist.
8. Stabilisator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (8,9) des Übergangsbereiches 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 mm beträgt.
9. Stabilisator nach Anspruch 6, dadurch ge-kennzeichnet, daß die Stabilisatorflosse (2) eine aus in axialer Richtung (13) aneinandergrenzenden Teilbereichen (15,16,18,20,22) zusammengesetzte Kontur aufweist.
10. Stabilisator nach Anspruch 9, dadurch ge-kennzeichnet daß die Teilbereiche (15,16,18,20,22) unter spitzen Winkeln (17,19,21) zueinander verlaufen.
EP87109543A 1986-07-03 1987-07-02 Stabilisator für Bohrgarnituren Expired - Lifetime EP0254900B1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

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US06/881,951 US4729438A (en) 1986-07-03 1986-07-03 Stabilizer for navigational drilling
DE3628265 1986-08-20
DE19863628265 DE3628265A1 (de) 1986-08-20 1986-08-20 Stabilisator fuer bohrgarnituren
US881951 1992-05-12

Publications (3)

Publication Number Publication Date
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EP0254900A3 EP0254900A3 (en) 1989-02-15
EP0254900B1 true EP0254900B1 (de) 1990-04-25

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