EP0392544A2 - Bohrwerkzeug - Google Patents

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EP0392544A2
EP0392544A2 EP90107054A EP90107054A EP0392544A2 EP 0392544 A2 EP0392544 A2 EP 0392544A2 EP 90107054 A EP90107054 A EP 90107054A EP 90107054 A EP90107054 A EP 90107054A EP 0392544 A2 EP0392544 A2 EP 0392544A2
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EP
European Patent Office
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drilling
outer housing
pilot
drilling unit
drilling tool
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EP90107054A
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EP0392544A3 (de
EP0392544B1 (de
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Rainer Dr.-Ing. Jürgens
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Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Original Assignee
Eastman Christensen Co
Eastman Teleco 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
    • E21B25/00—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors
    • E21B25/02—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors the core receiver being insertable into, or removable from, the borehole without withdrawing the drilling pipe
    • E21B25/04—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors the core receiver being insertable into, or removable from, the borehole without withdrawing the drilling pipe the core receiver having a core forming cutting edge or element, e.g. punch type core barrels
    • 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
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/02—Fluid rotary type drives

Definitions

  • the invention relates to a drilling tool in an embodiment according to the preamble of claim 1.
  • the deep-hole motor for driving the core tube of the core drilling unit is designed as a Moineau motor and is an integral part of the core drilling unit.
  • the stator of the deep hole motor is non-rotatably but axially displaceably supported in longitudinal guides of the outer housing, and the core tube of the core drilling unit is rotatably mounted in the lower end region of the stator of the deep hole motor and connected to the output shaft of the deep hole motor.
  • a similar drilling tool is illustrated in US Pat. No. 4,518,050, in which a turbine forming part of the wind-up core drilling unit is provided as a deep hole motor.
  • the invention has for its object to provide a drilling tool, the pilot drilling unit can be driven with particularly high performance.
  • the invention solves this problem by means of a drilling tool with the features of claim 1. With regard to further refinements, reference is made to claims 2 to 5.
  • the inventive design of the drilling tool creates an extraordinarily simple pilot drilling unit, which consists practically only of a tubular body with a safety device attached directly to its upper end and, if appropriate, in the lower part of the freely rotatable inner tube.
  • the turbine assigned to the outer housing of the drilling tool can be designed with a much larger diameter and can be designed for significantly higher powers and speeds, so that the pilot drilling tool according to the invention is particularly suitable for core drilling work in hard rock.
  • the drilling tool shown comprises in detail a tubular outer housing 1 which can be connected at its upper end to a drill pipe string by means of connection means, in particular a screw thread, which in a known manner by means of an above-ground drive, e.g. of the rotary table of a drilling tower, can be driven, but instead can also be stopped and locked in a predetermined alignment position against revolutions.
  • connection means in particular a screw thread
  • the outer housing 1 can carry a drill bit 2, which can have any known or suitable design.
  • This core bit 2 can also be omitted in special cases, namely if - to re-drill the borehole from the diameter of a pilot hole drilled to the main hole diameter - a special drilling tool, e.g. a solid drilling tool, a solid drilling tool with vertical drilling characteristics or the like is used, or drilling work is omitted, as is the case e.g. may be the case with seabed exploration.
  • the drilling tool shown further comprises a core drilling unit 3 as a pilot drilling unit, which is attached to it by means of one Arranged upper end safety device 4 from the outer housing 1 and removable in this and axially displaceable in this during core drilling.
  • a core drilling unit 3 as a pilot drilling unit, which is attached to it by means of one Arranged upper end safety device 4 from the outer housing 1 and removable in this and axially displaceable in this during core drilling.
  • the core drilling unit 3 has reaction surfaces 5 which can be acted upon by the drilling fluid during the core drilling operation in order to generate an axial feed force acting on the core drilling unit in the bottom direction of the bore, and comprises a core tube 6 and also in a lower extension of the core tube 6 by means of a bearing device 8 about the longitudinal central axis 9 of the Drilling tool freely rotatable inner tube 7 for receiving a drilled core.
  • the core tube 6 has its own drill bit 10 at its lower end and has an axial flow channel 11 which merges into branches 12 above the bearing device 8 and opens into a flow gap 13 between the core tube 6 and the inner tube 7.
  • a check valve 15 At the upper end of the core receiving space 14 in the inner tube 7, this is provided with a check valve 15, which opens when the core drilling unit 3 is moved into a borehole and allows an upward flow of drilling fluid contained in the drill pipe string and in the drilling tool.
  • the pilot drilling unit 3 can also have a tubular body which is designed as a carrier of a solid rotary drilling tool and is provided with the catching device 4 and which can optionally be used for a core tube design, e.g. for alternating full and core drilling work.
  • the drilling tool further comprises a drilling fluid operated deep hole motor which is designed as a drilling fluid operated turbine 16.
  • the outer casing 1 forms the stator and a tubular inner casing 17, which is rotatably supported in the outer casing 1 and is axially fixed in the process, the rotor of the turbine 16.
  • the inner casing 17 forming the rotor of the turbine 16 is on its inside with axially aligned longitudinal guides 18 provided by which the core drilling unit is axially displaceably supported during operation.
  • the longitudinal guides 18, which are preferably formed by a multi-groove profile, are in the circumferential direction in driving engagement with wedge areas 19 at the upper end of the core tube 6, so that when the turbine 16 is in operation it drives the core tube 6 directly.
  • extension tube bodies can be inserted into the tube body below its engagement region 19 with the inner housing 17 in order to enlarge the pilot drilling distance.
  • the turbine 16 can be designed with a relatively large diameter and can accordingly be designed for particularly high powers and speeds.
  • the outer casing 1 can be stopped or at the same time make its own rotation by means of the above-ground drive via the drill pipe string. In this way it is possible in suitable formations to start drilling the borehole shortly after the start of a pilot core drilling and before its completion.
  • the core drilling unit 3 including the core located in the receiving space 14 of the inner tube 7, is drawn in and, after the core has been removed from the surface, retracted and placed in the inner housing 17 of the drilling tool forming the inner rotor of the turbine 16.
  • the pilot core hole can be drilled through to the bottom of the pilot core hole.
  • the turbine is assigned to the outer casing 1 for performance reasons, but also important for reasons of a low-level drive for the pilot drilling unit, in a sense in the sense of a turntable placed close to the bottom of the drill hole, particularly in the case of greater water depths and pilot drill strings of considerable length formed by extensions.

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Abstract

Das Bohrwekzeug umfaßt ein rohrförmiges Außengehäuse (1), das über Anschlußmittel an seinem oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang und an seinem unteren Ende mit einer Bohrkrone (2) verbindbar ist, eine Pilotbohreinheit (3), die mittels einer Fangvorrichtung (4) aus dem Außengehäuse (1) aufziehbar und in dieses absetzbar sowie in diesem während des Bohrbetriebs axial verschiebbar ist, und einen bohrspülungsbetriebenen Tieflochmotor (16). Die Pilotbohreinheit (3) ist in Längsführungen (18) relativ zu diesen unverdrehbar, jedoch axial verschiebbar innerhalb des Außengehäuses (1) abgestützt ist, weist vom Druck der Bohrspülung beaufschlagbare Reaktionsflächen (5) zur Erzeugung einer auf die Pilotbohreinheit (3) in Sohlenrichtung wirkenden axialen Vorschubkraft auf und hat einen drehbar vom Tieflochmotor (16) antreibbaren, seinerseits einen Drehbormeißel (10) tragenden Drehkörper. Dabei bildet das Außengehäuse (1) den Stator des als Turbine (16) ausgebildeten Tieflochmotors und ein rohrförmiges, im Außengehäuse (1) drehbar abgestütztes Innengehäuse (17) den Rotor der Turbine (16), und im Innengehäuse (17) sind die die Pilotbohreinheit im Betrieb abstützenden Längsführungen (18) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug in einer Ausbildung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei einem bekannten Bohrwerkzeug dieser Art (DE-C-­37 01 914), wie es zum Pilotkernen Anwendung findet, ist der Tieflochmotor für den Antrieb des Kernrohrs der Kern­bohreinheit als Moineau-Motor ausgebildet und mitaufzieh­barer Bestandteil der Kernbohreinheit. Dabei ist der Stator des Tieflochmotors in Längsführungen des Außengehäuses unverdrehbar, jedoch axial verschiebbar abgestützt, und das Kernrohr der Kernbohreinheit ist im unteren Endbereich des Stators des Tieflochmotors drehbar gelagert und mit der Abtriebswelle des Tieflochmotors verbunden. Ein ähnliches Bohrwerkzeug veranschaulicht die US-A-­4 518 050, bei der als Tieflochmotor eine Bestandteil der aufziehbaren Kernbohreinheit bildende Turbine vorgesehen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug zu schaffen, dessen Pilotbohreinheit mit besonders hoher Leistung antreibbar ist. Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die An­sprüche 2 bis 5 verwiesen.
  • Die erfindungsgemäße Gestaltung des Bohrwerkzeugs schafft eine außenordentlich einfache Pilotbohreinheit, die prak­tisch nur aus einem Rohrkörper mit direkt an dessen oberen Ende angebrachter Fangvorrichtung und dem gegebenenfalls im unteren Teil des frei drehbar gelagerten Innenrohrs besteht. Die dem Außengehäuse des Bohrwerkzeugs zugeordnete Turbine kann infolge dieser Zuordnung mit wesentlich größerem Durchmesser ausgeführt und für wesentlich höhere Leistungen und Drehzahlen ausgelegt werden, so daß das Pilotbohrwerkzeug erfindungsgemäßer Ausbildung besonders für Kernbohrarbeiten in Hartgestein geeignet ist.
  • Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird auf die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnung verwiesen, in der in einem abgebrochenen, schematischen Querschnitt ein Ausführungsbei­spiel des Gegenstands der Erfindung näher veranschaulicht ist.
  • Das dargestellte Bohrwerkzeug umfaßt im einzelnen ein rohr­förmiges Außengehäuse 1, das über Anschlußmittel, insbeson­dere ein Schraubgewinde, an seinem oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang verbindbar ist, der in bekannter Weise mittels eines oberirdischen Antriebs, z.B. des Drehtisches eines Bohrturms, antreibbar, statt dessen aber auch still­setz- und in einer vorbestimmten Ausrichtstellung gegen Umdrehungen feststellbar ist.
  • An seinem unteren Ende kann das Außengehäuse 1 eine Bohr­krone 2 tragen, die jede bekannte bzw. geeignete Ausbildung haben kann. Diese Bohrkrone 2 kann in besonderen Fällen auch entfallen, nämlich dann, wenn - zum Nachbohren des Bohrlochs von dem Durchmesser einer vorausgebohrten Pilot­bohrung auf Hauptbohrungsdurchmesser - ein besonderes, im Austausch zum Einsatz gelangendes Bohrwerkzeug, z.B. ein Vollbohrwerkzeug, ein Vollbohrwerkzeug mit Vertikal­bohrcharakteristik od.dgl., zum Einsatz gelangt, oder Auf­bohrarbeiten entfallen, wie dies z.B. bei Meeresbodener­kundungen der Fall sein kann.
  • Das dargestellte Bohrwerkzeug umfaßt ferner als Pilotbohr­einheit eine Kernbohreinheit 3, die Mittels einer an ihrem oberen Ende angeordneten Fangvorrichtung 4 aus dem Außenge­häuse 1 aufziehbar und in dieses absetzbar sowie in diesem während des Kernbohrbetriebs axial verschiebbar ist.
  • Die Kernbohreinheit 3 weist von der Bohrspülung während des Kernbohrbetriebs beaufschlagbare Reaktionsflächen 5 zur Erzeugung einer auf die Kernbohreinheit in Sohlenrich­tung der Bohrung wirkenden axialen Vorschubkraft auf und umfaßt ein Kernrohr 6 sowie ein in einer unteren Erweiterung des Kernrohrs 6 mittels einer Lagervorrichtung 8 um die Längsmittelachse 9 des Bohrwerkzeugs frei drehbar gelagertes Innenrohr 7 für die Aufnahme eines erbohrten Kerns. Das Kernrohr 6 weist an seinem unteren Ende eine eigene Bohr­krone 10 auf und hat einen axialen Strömungskanal 11, der oberhalb der Lagervorrichtung 8 in Verzweigungen 12 übergeht und in einen Strömungsspalt 13 zwischen dem Kernrohr 6 und dem Innenrohr 7 mündet. Am oberen Ende des Kernauf­nahmeraums 14 im Innenrohr 7 ist dieses mit einem Rück­schlagventil 15 versehen, das beim Einfahren der Kernbohr­einheit 3 in ein Bohrloch öffnet und eine aufwärts gerichte­te Durchströmung von im Bohrrohrstrang und im Bohrwerkzeug enthaltener Bohrspülung erlaubt.
  • Stattdessen kann die Pilotbohreinheit 3 auch einen als Träger eines Volldrehbohrwerkzeugs ausgebildeten, mit der Fangvorrichtung 4 versehenen Rohrkörper aufweisen, der wahlweise zu einer Kernrohrausführung zum Einsatz kommen kann, z.B. zu abwechselnden Voll- und Kernbohrarbeiten.
  • Das Bohrwerkzeug umfaßt ferner einen bohrspülungsbetriebenen Tieflochmotor, der als bohrspülungsbetriebene Turbine 16 ausgebildet ist. Dabei bildet das Außengehäuse 1 den Stator und ein rohrförmiges Innengehäuse 17, das im Außengehäuse 1 drehbar gelagert und dabei axial ortsfest abgestützt ist, den Rotor der Turbine 16. Das den Rotor der Turbine 16 bildende Innengehäuse 17 ist an seiner Innenseite mit axial ausgerichteten Längsführungen 18 versehen, durch die die Kernbohreinheit im Betrieb axial verschiebbar abge­stützt ist. Die Längsführungen 18, die vorzugsweise von einem Vielnutprofil gebildet sind, stehen in Umfangsrichtung in Mitnahmeeingriff mit Keilbereichen 19 am oberen Ende des Kernrohrs 6, so daß bei Betrieb der Turbine 16 diese unmittelbar das Kernrohr 6 antreibt.
  • Sowohl bei Ausbildung des Rohrkörpers als Kernrohr, als auch bei Ausbildung als Volldrehbohrmeißel-Träger können in den Rohrkörper unterhalb dessen Eingriffsbereichs 19 mit dem Innengehäuse 17 Verlängerungsrohrkörper eingesetzt werden, um die Pilotbohrstrecke zu vergrößern.
  • Infolge der Zuordnung der Turbine 16 zum Außengehäuse 1 kann die Turbine 16 mit relativ großem Durchmesser ausge­führt und dementsprechend für besonders hohe Leistungen und Drehzahlen ausgelegt werden. Während des Betriebs der Turbine 16 für das Pilotbohren mit Hilfe der sich dabei fortschreitend abwärts im Außengehäuse 1 verlagernden Pilot­bohreinheit 3 kann das Außengehäuse 1 stillgesetzt werden oder gleichzeitig eine Eigenumdrehung vermittels des ober­irdischen Antriebs über den Bohrrohrstrang ausführen. Auf diese Weise ist es in dafür geeigneten Formationen möglich, schon kurz nach Beginn eines Pilotkernbohrens und vor dessen Abschluß bereits mit dem Aufbohren des Bohrlochs zu be­ginnen.
  • Bei Pilotkernbohrungen wird nach Erbohren eines Kerns die Kernbohreinheit 3 samt im Aufnahmeraum 14 des Innenrohrs 7 befindlichem Kern aufgezogen und nach oberirdischer Entnahme des Kerns wieder eingefahren und in das den Innen­rotor der Turbine 16 bildende Innengehäuse 17 des Bohrwerk­zeugs abgesetzt. Während des Aufzieh- und des Absetzvor­ganges der Kernbohreinheit 3 kann das Aufbohren der Pilot­kernbohrung bis hin zur Sohle der Pilotkernbohrung vorge­nommen werden.
  • Aber auch in Fällen, in denen ein Aufbohren von Pilot­bohrungen nicht erforderlich ist, z.B. bei Untersuchungen von Meeresböden, bei denen das Außengehäuse 1 ohne eigene Bohrkrone Verwendung finden und mit seinem unteren Ende auf den Meeresboden aufgesetzt werden kann, ist die Zuord­nung der Turbine zum Außengehäuse 1 aus Leistungsgründen, aber auch aus Gründen eines tiefgelegten Antriebs für die Pilotbohreinheit, gewissermaßen im Sinne eines nahe an die Bohrsohle heranversetzten Drehtisches, von Bedeutung, insbesondere bei größeren Wassertiefen und durch Ver­längerungen gebildete Pilotbohrstränge von erheblicher Länge.

Claims (5)

1. Bohrwerkzeug, mit einem rohrförmigen Außengehäuse (1), das über Anschlußmittel an seinem oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang und an seinem unteren Ende mit einer Bohrkrone (2) verbindbar ist, einer Pilotbohreinheit (3), die mittels einer Fangvorrichtung (4) aus dem Außengehäuse (1) aufziehbar und in dieses absetzbar sowie in diesem während des Bohrbetriebs axial verschiebbar ist, und einem bohrspülungsbetriebenen Tieflochmotor (16), wobei die Pilot­bohreinheit (3) in Längsführungen (18) relativ zu diesen unverdrehbar, jedoch axial verschiebbar innerhalb des Außen­gehäuses (1) abgestützt ist, vom Druck der Bohrspülung beaufschlagbare Reaktionsflächen (5) zur Erzeugung einer auf die Pilotbohreinheit (3) in Sohlenrichtung wirkenden axialen Vorschubkraft aufweist und einen drehbar vom Tief­lochmotor (16) antreibbaren, seinerseits einen Drehbohr­meißel (10) tragenden Drehkörper umfaßt, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Außengehäuse (1) den Stator des als Turbine (16) ausgebildeten Tieflochmotors und ein rohr­förmiges, im Außengehäuse (1) drehbar abgestütztes Innenge­häuse (17) den Rotor der Turbine (16) bildet und im Innen­gehäuse (17) die die Pilotbohreinheit im Betrieb abstützen­den Längsführungen (18) vorgesehen sind.
2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper (6) eine über die Höhe der Pilotbohrein­heit (3) durchgehende, starre, am oberen Ende direkt mit der Fangvorrichtung (4) versehene Ausbildung aufweist.
3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Pilotbohreinheit (3) als Kernbohreinheit ausgeführt ist, bei der der Rohrkörper ein Kernrohr (6) bildet, in dem ein darin frei drehbar gelagertes Innenrohr (7) für die Aufnahme eines erbohrten Kerns vorgesehen ist, und an seinem unteren Ende eine Bohrkrone trägt.
4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Rohrkörper (6) an seinem unteren Ende einen Volldrehbohrmeißel trägt.
5. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rohrkörper (6) unterhalb dessen Eingriffsbereichs mit den Längsführungen (18) im Innenge­häuse (17) Verlängerungsrohrkörper einsetzbar sind.
EP90107054A 1989-04-13 1990-04-12 Bohrwerkzeug Expired - Lifetime EP0392544B1 (de)

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