EP0440123A1 - Apparatus for transmitting signals in a bore-hole - Google Patents

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    • E21B17/18—Pipes provided with plural fluid passages

Abstract

The invention relates to an apparatus 1 in particular for shaft drilling, with a drill string 4, which comprises inner tubes 7 defining inner-flow spaces 8 as well as outer tubes 6 encasing these inner tubes 7 at a distance while forming outer-flow spaces 9, a drilling drive 3, and also a drilling tool 2 which can be driven via the drill string 4. In order to be able to ensure in particular electrical transmission of data in a manner which is not susceptible to wear and in an easy-to-assemble manner, the inner and outer tubes 7, 6 are designed as electrical conductors, insulated from one another, for transmitting in particular measuring and control signals between the surface of the earth and the borehole bottom during the drilling operation, can be supported against one another via electrically non-conductive spacers 10 and can be connected in each case to electrically operating measuring and control devices. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum insbesondere Schachtbohren mit einem Bohrstrang, der Innenströmungsräume umgrenzende Innenrohre sowie diese unter Ausbildung von Außenströmungsräumen mit Abstand ummantelnde Außenrohre umfaßt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for, in particular, shaft drilling with a drill string, which comprises inner tubes which delimit inner flow spaces and which enclose outer tubes with spacing to form outer flow spaces, according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen der vorgenannten Art mit einem Bohrstrang aus aneinander zu befestigenden doppelwandigen Bohrrohren werden beispielsweise zum Schachtbohren eingesetzt, wobei das doppelwandige Bohrrohr ein Außenrohr sowie ein Innenrohr umfaßt und ein Spülmedium in aller Regel in dem Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr zur Bohrlochsohle gepumpt, am Bohrkopf vorbei über in den vom Innenrohr umgrenzten Innströmungsraum strömen und durch den Innenströmungsraum das Bohrklein nach Übertage fördern kann. Sollen bei Bohrsträngen mit derartigen doppelwandigen Bohrrohren im Verlaufe des Bohrvorganges Informationen erfaßt und zur Umwandlung in Steuersignale an die Erdoberfläche elektrisch weitergeleitet werden, sind besondere Kabel zur elektrischen Übertragung von Meß- und Steuersignalen vorzusehen. Derartige Kabel sind jedoch nicht nur außerordentlich verschleiß- und damit störanfällig insbesondere bei derartigen Doppelwandrohren mit nur besonderen baulichen Maßnahmen vorzusehen und anzubringen. Dabei ist der Ein- und Ausbau des Bohrstranges mit den aneinander festzulegenden Innen- und Außenrohren erheblich erschwert.Devices of the aforementioned type with a drill string of double-walled drill pipes to be fastened to one another are used, for example, for shaft drilling, the double-walled drill pipe comprising an outer pipe and an inner pipe and a flushing medium generally being pumped to the bottom of the hole in the annular space between the inner pipe and the outer pipe, past the drill head can flow into the inner flow space bounded by the inner pipe and can convey the cuttings through the inner flow space to the surface. If, in the case of drilling strings with such double-walled drilling pipes, information is to be acquired in the course of the drilling process and is to be passed on electrically to the earth's surface for conversion into control signals, special cables for the electrical transmission of measurement and control signals are to be provided. However, such cables are not only extremely wear-resistant and therefore prone to failure, in particular in the case of such double-wall pipes to be provided and attached using only special structural measures. The installation and removal of the drill string with the inner and outer pipes to be fixed together is considerably more difficult.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in möglichst störunanfälliger Weise elektrische Signale zwischen Bohrlochsohle und Erdoberfläche übertragen werden können, gleichfalls jedoch auch der Ein- und Ausbau des Bohrstranges in nicht wesentlichem Maße durch Signalübertragungselemente beeinträchtigt ist.It is an object of the present invention to provide a device of the type mentioned at the outset, with which electrical signals can be transmitted between the bottom of the borehole and the earth's surface in a manner that is as insensitive to interference as possible, but also the installation and removal of the drill string is not significantly impaired by signal transmission elements .

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aus. Hinsichtlich weiterer wesentlicher Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Ansprüche 2 bis 13 verwiesen.To achieve this object, the device of the type mentioned is characterized by the features specified in the characterizing part of claim 1. With regard to further essential configurations of the invention, reference is made to claims 2 to 13.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht in verschleißunanfälliger Weise die Übermittlung von Meß- und Steuersignalen sowie auch von Energie zwischen Erdoberfläche bzw. Bohrlochmund und Bohrlochsohle, ohne daß es besonderer störanfälliger Übertragungskabel bedarf. Die gegeneinander isolierten Innen- und Außenrohre des Rohrstranges bilden dabei die elektrischen Leiter eines Zweileitersystems, wobei gleichfalls in Bereichen von Drehdurchführungen, z. B. Drehantrieb, Bohrkopf und dgl. die elektrische Isolierung in einfacher Weise vorzusehen ist. Die elektrische Isolierung zwischen Innen- und Außenrohrstrang ist in baulich einfacher Weise durch die elektrisch nicht leitende Ausbildung der Abstandshalter zu realisieren. Dies kann beispielsweise durch die Herstellung der Abstandshalter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, beispielsweise Kunststoff und dgl., erfolgen oder durch eine geeignete Beschichtung, z. B. einer Epoxyharzbeschichtung, eines metallischen Abstandshalterkerns. Ist es in bestimmten Anwendungsfällen, z. B. aufgrund der Notwendigkeit der Führung eines Mediums im Außenströmungsraum zwischen Innenmantelfläche des Außenrohres und Außenmantelfläche des Innenrohres mit elektrischer Leitfähigkeit geboten, sind zwecks Vermeidung von z. B. Energieverlusten die Innen- und Außenmantelflächen einschließlich der Abstandshalter mit einem elektrisch nicht leitenden Material zu beschichten.The inventive design of the device enables the transmission of measurement and control signals as well as energy between the surface of the earth or the mouth of the borehole and the bottom of the borehole in a wear-resistant manner, without the need for particularly fault-prone transmission cables. The mutually insulated inner and outer tubes of the tubing form the electrical conductors of a two-wire system, which also in areas of rotary unions, for. B. rotary drive, drill head and the like. The electrical insulation is to be provided in a simple manner. The electrical insulation between the inner and outer tubing can be implemented in a structurally simple manner by the electrically non-conductive design of the spacers. This can be done, for example, by producing the spacers from an electrically non-conductive material, for example plastic and the like, or by a suitable coating, for. B. an epoxy resin coating, a metallic spacer core. Is it in certain applications, e.g. B. due to the necessity of guiding a medium in the outer flow space between the inner surface of the outer tube and the outer surface of the inner tube with electrical conductivity are provided in order to avoid z. B. Energy losses to coat the inner and outer surface including the spacers with an electrically non-conductive material.

In baulich einfacher Weise sind darüber hinaus die miteinander an ihren Enden zu verbindenden Innenrohre endseitig mit elektrischen Kontakten zu versehen, die eine funktionssichere automatische elektrische Verbindung beim Befestigen des Bohrstranges über die Gewinde der Außenrohre sicherstellen. Bevorzugtermaßen finden dabei Kontaktelemente in Gestalt von elektrisch leitfähigen Wurmfedern oder elektrisch leitfähigen Kontaktfächern aus z. B. Kupfer bei den Innenrohren Verwendung, die in Außenformausnehmungen der Innenrohre anzuordnen sind und nach Einführen in die Formausnehmungen über den Formausnehmungsrand in einem geringfügigen Maße derart überstehen, daß nach Aufsetzen eines entsprechenden Endes eines Innenrohres auf das zugehörige Ende des benachbarten Innenrohres die Wurmfeder bzw. das Fächerelement geringfügig zusammengedrückt wird, womit eine sichere Kontaktverbindung auch im rauhen Alltagsbetrieb einer derartigen Vorrichtung ohne einen Montagemehraufwand einhergeht. Zur Ein- und Ausleitung von elektrischen Signalen können insbesondere bei Gegebenheiten, in denen unterschiedliche Geschwindigkeiten zwischen Bohrstrang und Meßwertgeber bzw. -aufnehmer zu berücksichtigen sind, elektrische, mit dem Innen- bzw. Außenrohr einenends zu verbindende Kontakteinheiten wie Schleifringübertragungseinheit, Induktionsspulenübertragungseinheit und dgl. Verwendung finden.In addition, in a structurally simple manner, the inner tubes to be connected to one another at their ends are to be provided at the ends with electrical contacts which ensure a functionally reliable, automatic electrical connection when fastening the drill string via the threads of the outer tubes. It is preferred to find contact elements in the form of electrically conductive worm springs or electrically conductive contact compartments made of, for. B. copper use in the inner tubes, which are to be arranged in the outer recesses of the inner tubes and, after insertion into the recesses, protrude to a slight extent over the edge of the recess so that after fitting a corresponding end of an inner tube on the associated end of the adjacent inner tube, the worm spring or the compartment element is compressed slightly, which is accompanied by a secure contact connection even in the rough everyday operation of such a device without additional assembly work. For the introduction and discharge of electrical signals, electrical contact units, such as slip ring transmission unit, induction coil transmission unit and the like, can be used, in particular in circumstances in which different speeds between the drill string and transducer or transducer are to be taken into account Find.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung verwiesen. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1
in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung, und
Fig. 2
ein Doppelrohrelement des in Fig. 1 veranschaulichten Bohrstranges.
To further explain the invention, reference is made to the drawing and the description below. The drawing shows:
Fig. 1
in a schematic sectional view an embodiment of a device according to the invention, and
Fig. 2
a double pipe element of the drill string illustrated in FIG. 1.

Das in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsbeispiel der allgemein mit 1 bezifferten Bohrvorrichtung ist als Schachtbohrvorrichtung mit einem Bohrmeißel 2 sowie einem Bohrantrieb 3 ausgebildet.The exemplary embodiment illustrated in the drawing of the drilling device, generally numbered 1, is designed as a shaft drilling device with a drill bit 2 and a drilling drive 3.

Der allgemein mit 4 bezifferte Bohrstrang besteht aus miteinander verschraubten doppelwandigen Rohren 5. Die Doppelwandrohre 5 haben Außenrohre 6 und Innenrohre 7. Das Innenrohr umgrenzt einen Innenströmungsraum 8. Das mit Abstand das Innenrohr 7 ummantelnde Außenrohr 6 umgrenzt gemeinsam mit dem Innenrohr einen ringförmigen Außenströmungsraum 9. Das Innenrohr 7 ist jeweils über Abstandshalter 10 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material am Außenrohr abgestützt.The drill string, generally numbered 4, consists of double-walled tubes 5 screwed together. The double-walled tubes 5 have outer tubes 6 and inner tubes 7. The inner tube delimits an inner flow space 8. The outer tube 6 encasing the inner tube 7 at a distance, together with the inner tube, delimits an annular outer flow space 9. The inner tube 7 is supported on the outer tube by spacers 10 made of an electrically non-conductive material.

Das Innenrohr 7 trägt an seinem oberen Ende ein durchbohrtes Zentrierstück 11, um das Innenrohr 7 radial und axial zu haltern. Dieses Zentrierstück 11 bildet gleichfalls einen nicht leitenden Abstandshalter 10 aus. Zwischen Außenrohr 6 und Zentrierstück 11 befindet sich eine Kunststoffhülse 12, die ein spielfreies Halten des Innenrohres 7 ermöglicht. Am unteren Ende des Innenrohres 7 befindet sich das Muffenelement, das auf den Zapfen des folgenden Rohres aufgesetzt wird. Am unteren Ende des Innenrohres 7 ist gleichfalls ein Zentrierstück 13 vorgesehen, das ebenfalls aus Kunststoff besteht und gleichfalls Abstandshalter 10 ausbildet. Zapfen und Muffenteil des Innenrohres sind zum Außenrohr 6 derart angeordnet, daß die Innenverbindung beim Verschrauben der Außenrohre 6 automatisch zentriert und damit ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen eingeführt werden kann. Außerdem liegen dabei die Muffen- und Zapfenelemente in einer zu einer im Ausführungsbeispiel gewählten Strömungsrichtung 14 eines z. B. Spülmediums günstigen Anordnung.The inner tube 7 carries a perforated centering piece 11 at its upper end in order to hold the inner tube 7 radially and axially. This centering piece 11 also forms a non-conductive spacer 10. A plastic sleeve 12 is located between the outer tube 6 and the centering piece 11, which enables the inner tube 7 to be held without play. At the lower end of the inner tube 7 is the sleeve element which is placed on the pin of the following tube. At the lower end of the inner tube 7, a centering piece 13 is also provided, which is also made of plastic and also forms spacers 10. The spigot and socket part of the inner tube are arranged in relation to the outer tube 6 in such a way that the inner connection is automatically centered when the outer tubes 6 are screwed on and can thus be introduced without additional measures. In addition, the sleeve and pin elements lie in a flow direction 14 of a z. B. flushing medium favorable arrangement.

Die Außenrohre 6 und die Innenrohre 7 aus einem metallischen Werkstoff sind als gegeneinander isolierte elektrische Leiter zur Übertragung von Meß- und Steuersignalen, aber auch beispielsweise Energie, zwischen Erdoberfläche und Bohrlochsohle während des Bohrbetriebes ausgebildet. Die Abstandshalter 10 sind nicht elektrisch leitend, so daß die Innenrohre 7 und die Außenrohre 6 als Leiter eines Zweileitersystems Meß- und Steuersignal übermitteln können.The outer tubes 6 and the inner tubes 7 made of a metallic material are, however, insulated from each other as electrical conductors for the transmission of measurement and control signals also, for example, energy, formed between the earth's surface and the bottom of the borehole during drilling operations. The spacers 10 are not electrically conductive, so that the inner tubes 7 and the outer tubes 6 can transmit measurement and control signals as conductors of a two-wire system.

Um die Rohre 6 und 7 als elektrische Leiter benutzen zu können, ist an allen Verbindungsstellen von Innen- und Außenrohren 6, 7 für eine sichere elektrische Verbindung Sorge getragen. Die Gewindeverbindungen 15 der Außenrohre 6 sind dazu mit einem elektrisch leitenden Gewindefett versehen. Am oberen Ende des Innenrohres 7 (Fig. 2) ist in der Mantelfläche eine erste Formausnehmung 16 sowie zweite Formausnehmung 17 vorgesehen. In die Formausnehmung 16 ist eine Wurmfeder 19 einsetzbar, die nach Aufsetzen eines benachbarten Innenrohres für eine sichere elektrische Verbindung der miteinander verbundenen Innenrohre 7 Sorge trägt. In der Formausnehmung ist ein O-Ring 18 zur Abdichtung angeordnet.In order to be able to use the pipes 6 and 7 as electrical conductors, a secure electrical connection is made at all connection points of inner and outer pipes 6, 7. For this purpose, the threaded connections 15 of the outer tubes 6 are provided with an electrically conductive thread grease. At the upper end of the inner tube 7 (FIG. 2), a first mold recess 16 and a second mold recess 17 are provided in the lateral surface. A worm spring 19 can be inserted into the mold recess 16 and, after fitting an adjacent inner tube, ensures a secure electrical connection of the interconnected inner tubes 7. An O-ring 18 is arranged in the mold recess for sealing.

Claims (13)

Vorrichtung zum insbesondere Schachtbohren mit einem Bohrstrang, der Innenströmungsräume (8) umgrenzende Innenrohre (7) sowie diese unter Ausbildung von Außenströmungsräumen (9) mit Abstand ummantelnde Außenrohre (6) umfaßt, einem Bohrantrieb (3) sowie einem über den Bohrstrang (4) antreibbaren Bohrwerkzeug (2), dadurch gekennzeichnet , daß die Innen- und die Außenrohre (7, 6) als gegeneinander isolierte elektrische Leiter zur Übertragung von insbesondere Meß- und Steuersignalen zwischen Erdoberfläche und Bohrlochsohle während des Bohrbetriebes ausgebildet, über elektrisch nicht leitende Abstandshalter (10) aneinander abstützbar und jeweils mit elektrisch arbeitenden Meß- und Steuereinrichtungen verbindbar sind.Device for in particular shaft drilling with a drill string which comprises inner pipes (7) defining inner flow spaces (8) and these with outer casing (6) encasing them with outer flow spaces (9), a drill drive (3) and a drivable via the drill string (4) Drilling tool (2), characterized in that the inner and outer tubes (7, 6) are designed as mutually insulated electrical conductors for the transmission of, in particular, measurement and control signals between the earth's surface and the bottom of the borehole during drilling operation, via electrically non-conductive spacers (10). can be supported against each other and can be connected to electrically operating measuring and control devices. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (10) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen.Device according to claim 1, characterized in that the spacers (10) consist of an electrically non-conductive material. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstandshalter (10) mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material beschichtet sind.Device according to claim 1, characterized in that the spacers (10) are coated with an electrically non-conductive material. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Innenrohre (7) und Abstandshalter (10) einstückig ausgebildet sind.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inner tubes (7) and spacers (10) are formed in one piece. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die den Außenströmungsräumen (9) zugewandten Außenmantelflächen der Innenrohre (7) und die Innenmantelflächen der Außenrohre (6) mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material beschichtet sind.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least the outer jacket surfaces of the inner tubes (7) facing the outer flow spaces (9) and the inner jacket surfaces of the outer tubes (6) are coated with an electrically non-conductive material. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre (6) des Rohrstranges (4) an ihren Verbindungsstellen (15) unter Zwischenlage eines Kontaktmaterials aneinander festlegbar sind.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the outer tubes (6) of the tubular string (4) can be fixed to one another at their connecting points (15) with the interposition of a contact material. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial ein elektrisch leitendes Gewindefett ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that the contact material is an electrically conductive thread grease. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ineinandersteckbare Innenrohre (7) unter Zwischenlage von elektrisch ausgebildeten Kontaktelementen (19) aneinander festlegbar sind.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that inner tubes (7) which can be plugged into one another can be fixed to one another with the interposition of electrically designed contact elements (19). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder Außenrohre (7, 6) elektrisch mit einem auf dem Außenrohr (6) festlegbaren Schleifring (20, 21) verbindbar sind, mit dem ein Kontaktelement (22) einer Meß- und/oder Steuereinrichtung während der Rotationsbewegung des Bohrstranges (4) in Kontakt bringbar ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the inner and / or outer tubes (7, 6) can be electrically connected to a slip ring (20, 21) which can be fixed on the outer tube (6) and with which a contact element (22 ) a measuring and / or control device can be brought into contact during the rotational movement of the drill string (4). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder Außenrohre (7, 6) elektrisch mit einer Induktionsübertragungseinheit (23) einer elektrisch arbeitenden Datenverarbeitungseinrichtung verbindbar sind.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the inner and / or outer tubes (7, 6) can be electrically connected to an induction transmission unit (23) of an electrically operating data processing device. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Verbindungsstellen (15, 19) zwischen Innen- und/oder Außenrohren durch eine Kapselung nach außen hin verschließbar sind.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electrically conductive connection points (15, 19) between the inner and / or outer tubes can be closed off from the outside by encapsulation. Elektrische Verbindung für aneinander festlegbare Rohre eines Bohrstranges, insbesondere für Innenrohre (7) eines Bohrstranges (4) einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktelement zumindest ein in einer Rohrformausnehmung (17) einführbares Wurmfederelement (19) aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen ist.Electrical connection for mutually fixable pipes of a drill string, in particular for inner pipes (7) of a drill string (4) of a device (1) according to claim 8, characterized in that as a contact element at least one worm spring element (19) which can be inserted into a tubular form recess (17) is made of a electrically conductive material is provided. Elektrische Verbindung für aneinander festlegbare Rohres eines Bohrstranges, inbesondere für Innenrohre (7) eines Bohrstranges (4) einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktelement zumindest ein in eine Rohrformausnehmung (17) einführbares Fächerelement aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen ist.Electrical connection for mutually fixable pipe of a drill string, in particular for inner pipes (7) of a drill string (4) of a device (1) according to claim 8, characterized in that at least one fan element made of an electrically conductive material and insertable into a pipe shape recess (17) is used as the contact element is provided.
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