EP0512329A2 - Kernbohrmeissel mit hydrodynamischer Kernzerstörung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rock-destroying drilling tool and in particular relates to a cutting and shearing type drill bit.
- a drill bit (NI Andrianov, ES Bubnov ea "Almaznoe burenie" (diamond drilling), 1961, publisher “Gostoptekhizdat”, (Moscow), p. 158, Fig. 54) which has a body with channels for the supply of a drilling fluid and contains rock-destroying organs of the cutting and shear type.
- the stone-destroying organs are attached to the lower part of the body - a matrix.
- the conical cavity of the matrix and the radial grooves communicate with the channels for the supply of the drilling fluid.
- Wear-resistant teeth of the cutting and shear type are attached to the surface of the matrix that is in contact with the bottom of the borehole.
- the invention has for its object to provide a drill bit of the cutting and shearing type with such a structural design of the body, including its matrix and the system of flushing channels, which generate and utilize a high wave energy directed effect generated by a turbulent flow of the drilling fluid hydrodynamic Waves with a wide frequency spectrum in the borehole near zone and the generation of a negative pressure in this guaranteed.
- the body with a Vortex chamber is provided with inlet channels arranged tangentially in the upper part and a central outlet channel and outlet channels arranged tangentially in the lower part of the body, the part of the matrix closest to the body being designed in the form of a hollow truncated cone with the top surface of the body facing and with a changing steepness of the generatrix of the conical surface and with the base and the top surface, which are shaped according to the Archimedean spiral, with continuous radial grooves are made on the side surface of the matrix, with the outlet channels of the body s are connected by a cavity executed in this.
- the equipment of the chisel body with the swirl chamber with the tangentially directed inlet channels is due to the need to generate hydroacoustic waves to activate the process of rock destruction.
- the vortex chambers represent powerful hydrodynamic wave emitters with a wide frequency spectrum.
- the vortex chambers in the zone near the borehole create a vacuum, which promotes the process of destruction and cleaning of the bottom of the borehole from the mud.
- the central outlet channel and the radial grooves serve to transmit the wave energy to the surface of the borehole bottom and to flush this surface in an aligned manner.
- the concave conical surface of part of the matrix contributes to a reduction in the energy intensity of the destruction of the central part of the bottom of the borehole.
- a protruding part of the bottom of the borehole remains in the form of a regular cone in the central part.
- the changing steepness of the conical surface of the matrix acts on the protruding part of the bottom of the borehole during rotation of the bit, an additional alternating bending force, which leads to volumetric destruction.
- the central part of the borehole bottom is intensively destroyed by the wave energy.
- the execution of the base and the top surface of the truncated cone according to the Archimedean spiral gives the possibility to change the steepness of the generators of the cone surface.
- the swirl chamber prefferably be spherical.
- the choice of the shape of the vortex chamber in spherical shape is due to a higher amplitude of the waves generated by the spherical emitters working in self-oscillation mode with a periodic hydraulic self-locking of the outlet channel.
- the swirl chamber is provided with a tapered wave reflector arranged in its upper part in the direction of its longitudinal axis, the tapering of the tapered wave reflector of the relationship 0 ⁇ ⁇ 20 ' follows wherein ⁇ the taper of the wave reflector; 0 'is the critical sliding angle of a wave incident on the wave reflector is.
- the choice of the taper of the tapered wave reflector not above the double value of the critical slip angle 20 'of the incident wave, ie 0 ⁇ ⁇ 20', is due to the fact that the interface of the two media (drilling fluid and metal) with different densities and compressivities gives a reflection , Absorption and refractive surface. If the sliding angle 0 of the incident wave is not greater than the critical sliding angle 0 ', that is 0 ⁇ 0', total reflection takes place. Such wave does not destroy and does not transmit energy from the first medium (drilling fluid) to the second medium (metal), which is why the total energy of the incident wave is reflected and scattered back to the first medium.
- central outlet channel is designed with a conical taper and its end face is rounded.
- the design of the end face of the central outlet channel with a radial rounding is due to the need to keep hydraulic losses when guiding the drilling fluid through the tangential outlet channels into the annular space, and improves the quality of the vacuum in the zone near the borehole.
- the cutting and shearing type drill bit according to the invention contains a body 1 (FIGS. 1, 2), to whose matrix 2 rock-destroying organs 3 of the cutting and shearing type are attached.
- the body 1 is provided with a swirl chamber 4 with tangentially arranged inlet channels 5 and a conically tapering central outlet channel 6, the end face 7 of which is radially rounded.
- the swirl chamber 4 is provided with a conical wave reflector 8.
- the taper ⁇ (Fig. 3) of the surface of the wave reflector 8 becomes from the relationship 0 ⁇ ⁇ 20 ' determined where 0 'is the critical sliding angle of a wave incident on the reflector.
- Tangentially directed outlet channels 9 are embodied in the lower part of the body 1.
- the part of the matrix 2 closest to the body 1 (FIGS. 1, 4) is in the form of a hollow truncated cone with a changing steepness of the generatrix 10 (FIG. 5) of the conical surface and with the base and top surface (11, 12 ), which are shaped according to the Archimedean spiral, while the cover surface (12) faces the body 1.
- Continuous radial grooves 13 are formed on the side surface of the matrix 2 and are connected to the outlet channels 9 by a cavity 14 formed in the body 1.
- the cavity of the swirl chamber 4 can have a spherical shape.
- the swirl chamber 4 (FIG. 7) can be carried out in the body 1 itself.
- the cutting and shearing type drill bit according to the invention operates as follows.
- the drilling fluid is directed through a drill string into the tangentially directed inlet channels 5 (FIG. 1). Furthermore, the drilling fluid flows into the swirl chamber 4.
- the drilling fluid is rotated at a rotation frequency of 5.102 to 8.102 s ⁇ 1.
- the rotating drilling fluid is through the tangential outlet channels 9 and the radial grooves 13 directed into the annular space.
- the intensity of the rotation of the drilling fluid increases suddenly.
- the kinetic energy of the turbulent flow conveys the drilling fluid into the annulus in radially divergent directions.
- a negative pressure is generated in the swirl chamber 4 and in the central zone of the sole.
- powerful hydrodynamic pressure pulses of the self-oscillation type are generated in the zone near the borehole.
- the amplitude and the frequency of the waves generated depend on the geometric parameters of the swirl chamber 4, the pressure drop, the density and the amount of the liquid to be pumped through.
- the hydroacoustic waves generated by the device spread in two directions: towards the inside of the swirl chamber 4 and onto the bottom of the borehole.
- the inward hydroacoustic waves are received by the tapered wave reflector 8, totally reflected from the tapered surface, scattered in the drilling fluid and have no destructive effect on the head of the swirl chamber 4, thereby increasing the operational safety and duration of the chisel, while the hydroacoustic waves directed at the bottom of the borehole intensively destroy the central part of the bottom of the borehole and are superior in some rocks to tooth-shaped mechanical stone destruction.
- the application of the registered drill bit allows the mechanical drilling speed and the length of the bit to be significantly increased compared to the prototypes and the best applicable bits.
- the effectiveness is achieved by generating a high wave energy directed effect in the zone near the borehole.
- the present chisel ensures wave colmatation of the borehole wall when passing through geologically complex horizons (in fall-up, swallowing zones, in the event of water, oil, natural gas leaks).
- the invention can be used in drilling wells using rock-destroying organs of the cutting and shear type.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gesteinszerstörendes Bohrwerkzeug und betrifft insbesondere einen Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype.
- Es ist ein Bohrmeißel (N.I. Andrianov, E.S. Bubnov e. a. "Almaznoe burenie" (Diamantbohren), 1961, Verlag "Gostoptekhizdat", (Moskau), S. 158, Fig. 54) bekannt, der einen Körper mit Kanälen für die Zuleitung einer Bohrflüssigkeit und gesteinszerstörende Organe der Schneid- und Abschertype enthält. Die gesteinszerstörende Organe sind am Unterteil des Körpers - einer Matrix - befestigt. Im Zentralteil der Matrix ist eine Kegelsenkung und auf deren Stirnfläche sind Radialnuten zur Entfernung des Bohrkleins ausgeführt. Der Kegelhohlraum der Matrix und die Radialnuten kommunizieren mit den Kanälen für die Zuleitung der Bohrflüssigkeit. Auf der mit der Bohrlochsohle kontaktierten Oberfläche der Matrix sind verschleißfeste Zähne der Schneid- und Abschertype befestigt.
- Der bekannte Bohrmeißel sichert keine Erhöhung der mechanischen Bohrgeschwindigkeit und Meißelstandlänge und keine Erhöhung der Effektivität der Bohrlochabteufung im ganzen aus folgenden Gründen:
- das System der im Körper für die Bohrflüssigkeit ausgeführten Spülkanäle sichert keine effektive Reinigung der Bohrlochsohle vom Bohrklein und keine Kühlung des gesteinszerstörenden Organs;
- die geometrische Form der Ausführung der Matrix des gesteinszerstörenden Organs gewährleistet keine wirksame Gesteinszerstörung und keine erforderliche Betriebsdauer des Meißels.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype mit derartiger konstruktiver Ausführung des Körpers samt seiner Matrix und des Systems der Spülkanäle zu schaffen, die die Erzeugung und die Ausnutzung einer hohen Wellenenergie gerichteter Wirkung von durch eine turbulente Strömung der Bohrflüssigkeit erzeugten hydrodynamischen Wellen mit einem breiten Frequenzspektrum in der bohrlochnahen Zone sowie die Erzeugung eines Unterdrucks in dieser gewährleistet.
- Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype, der einen Körper mit Kanälen für die Zuleitung einer Bohrflüssigkeit und an der Matrix des Körpers befestigte gesteinszerstörende Organe der Schneid- und Abschertype enthält, gemäß der Erfindung der Körper mit einer Wirbelkammer mit in deren oberem Teil tangential angeordneten Eintrittskanälen und einem zentralen Austrittskanal versehen ist und im Unterteil des Körpers tangential angeordnete Austrittskanäle ausgeführt sind, wobei der dem Körper am nächsten liegende Teil der Matrix in Form eines hohlen Kegelstumpfel ausgebildet ist, der mit der Deckfläche dem Körper zugewandt und mit einer sich ändernden Steilheit der Erzeugenden der Kegelfläche und mit der Grund- und der Deckfläche ausgeführt ist, die nach der Archimedischen Spirale geformt sind, wobei auf der Seitenfläche der Matrix durchgehende Radialnuten ausgeführt sind, die mit den Austrittskanälen des Körpers durch einen in diesem ausgeführten Hohlraum verbunden sind.
- Die Ausstattung des Meißelkörpers mit der Wirbelkammer mit den tangential gerichteten Eintrittskanälen ist durch die Notwendigkeit bedingt, hydroakustische Wellen zur Aktivierung des Vorganges der Gesteinszerstörung zu erzeugen. Die Wirbelkammern stellen leistungsstarke hydrodynamische Wellenstrahler mit einem breiten Frequenzspektrum dar. Darüber hinaus erzeugen die Wirbelkammern in der bohrlochnahen Zone einen Unterdruck, was den Vorgang der Zerstörung und einer Reinigung der Bohrlochsohle vom Schlamm fördert.
- Der zentrale Austrittskanal und die Radialnuten dienen zur Übertragung der Wellenenergie an die Oberfläche der Bohrlochsohle und zur ausgerichteten Spülung dieser Oberfläche.
- Die konkave Kegelfläche eines Teiles der Matrix trägt zu einer Verringerung der Energieintensität der Zerstörung des Zentralteiles der Bohrlochsohle bei. Im Bohrprozeß bleibt im Zentralteil ein hervortretender Teil der Bohrlochsohle in Form eines regelmäßigen Kegels bestehen. Im Zusammenhang mit der sich ändernden Steilheit der Kegelfläche der Matrix wirkt auf den hervortretenden Teil der Bohrlochsohle bei der Rotation des Meißels eine zusätzliche alternierende Biegekraft ein, die zu einer volumetrischen Zerstörung führt. Außerdem wird der Zentralteil der Bohrlochsohle durch die Wellenenergie intensiv zerstört. Die Ausführung der Grund- und der Deckfläche des Kegelstumpfel nach der Archimedischen Spirale gibt die Möglichkeit, die Steilheit der Erzeugenden der Kegelfläche zu ändern.
- Es ist zweckmäßig, daß die Wirbelkammer kugelförmig ausgebildet ist.
- Die Wahl der Form der Wirbelkammer in Kugelgestalt ist auf eine höhere Amplitude der durch im Selbstschwingungsbetrieb mit einer periodischen hydraulischen Selbstsperrung des Austrittskanals arbeitende Kugelstrahler erzeugten Wellen zurückzuführen.
- Es ist vorteilhaft, daß die Wirbelkammer mit einem in deren oberem Teil in Richtung ihrer Längsachse angeordneten kegeligen Wellenreflektor versehen ist, wobei die Kegelverjüngung des kegeligen Wellenreflektors der Beziehung
folgt,
worin
ψ die Kegelverjüngung des Wellenreflektors;
0' der kritische Gleitwinkel einer auf den Wellenreflektor einfallenden Welle
ist. - Die Ausstattung der Wirbelkammer mit dem kegeligen Wellenreflektor gestattet es, einen hydroakustischen und Kavitationsverschleiß des Zentralteiles der Kammer zu verhindern und die Betriebsdauer des Bohrmeißels zu verlängern.
- Die Wahl der Kegelverjüngung des kegeligen Wellenreflektors nicht oberhalb des Doppelwertes des kritischen Gleitwinkels 20'der Einfallswelle, d.h. 0 < ψ ≦ 20', ist dadurch bedingt, daß die Grenzfläche der zwei Medien (Bohrflüssigkeit und Metall) mit unterschiedlichen Dichten und Kompressibilitäten eine Reflexions-, Absorptions- und brechende Fläche darstellt. Ist der Gleitwinkel 0 der Einfallswelle nicht größer als der kritische Gleitwinkel 0', ist also 0 ≦ 0', findet eine Totalreflexion statt. Derartige Welle zerstört nicht und überträgt keine Energie vom ersten Medium (Bohrflüssigkeit) zum zweiten Medium (Metall), weshalb die Gesamtenergie der Einfallswelle zum ersten Medium rückgestrahlt und gestreut wird. Der Kosinus des kritischen Gleitwinkels 0'ist gleich dem Brechungskoeffizienten des zweiten Mediums in Bezug auf das erste Medium:
worin
n der Brechnungskoeffizient;
c die Schallgeschwindigkeit in der Bohrflüssigkeit;
c₁ die Schallgeschwindigkeit im Metall ist. - Es ist bevorzugt, daß der zentrale Austrittskanal mit einer Kegelverjüngung und seine Stirnfläche abgerundet ausgeführt ist.
- Die Ausführung der Stirnfläche des zentralen Austrittskanals mit einer radialen Abrundung ist durch die Notwendigkeit bedingt, hydraulische Verluste bei der Lenkung der Bohrflüssigkeit durch die tangentialen Austrittskanäle in den Ringraum geringer zu halten, und verbessert die Güte des Vakuums in der bohrlochnahen Zone.
- Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an konkreten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:
- Fig. 1
- die Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Bohrmeißels der Schneid- und Abschertype mit einem kegeligen Wellenreflektor;
- Fig. 2
- einen II-II-Schnitt nach Fig. 1;
- Fig. 3
- den erfindungsgemäßen kegeligen Wellenreflektor;
- Fig. 4
- eine Matrix in axonometrischer Darstellung;
- Fig. 5
- die Ausbildung der Kegelfläche eines Teiles der Matrix des Körpers gemäß der Erfindung;
- Fig. 6
- den Körper des erfindungsgemäßen Bohrmeißels mit einem Kugelhohlraum einer Wirbelkammer;
- Fig. 7
- die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Bohrmeißels der Schneid- und Abschertype mit der im Körper ausgeführten Wirbelkammer;
- Fig. 8
- eine Ansicht A zu Fig. 7;
- Fig. 9
- das Profil eines Schnitts durch die Bohrlochsohle und eine Skizze der Einwirkung einer zusätzlichen Kraft auf einen Vorsprung des Gesteins.
- Der erfindungsgemäße Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype enthält einen Körper 1 (Fig. 1, 2), an dessen Matrix 2 gesteinszerstörende Organe 3 der Schneid- und Abschertype befestigt sind. Der Körper 1 ist mit einer Wirbelkammer 4 mit tangential angeordneten Eintrittskanälen 5 und einem sich kegelig verjüngenden zentralen Austrittskanal 6 versehen, dessen Stirnfläche 7 radial abgerundet ausgeführt ist. Die Wirbelkammer 4 ist mit einem kegeligen Wellenreflektor 8 versehen. Die Kegelverjüngung ψ (Fig. 3) der Oberfläche des Wellenreflektors 8 wird aus der Beziehung
ermittelt,
worin 0'der kritische Gleitwinkel einer auf den Reflektor einfallenden Welle ist. - Im Unterteil des Körpers 1 sind tangential gerichtete Austrittskanäle 9 ausgeführt. Der im Körper 1 am nächsten liegende Teil der Matrix 2 (Fig. 1, 4) ist in Form eines hohlen Kegelstumpfes mit einer sich ändernden Steilheit der Erzeugenden 10 (Fig. 5) der Kegelfläche und mit der Grund- und Deckfläche (11, 12), die nach der Archimedischen Spirale geformt sind, während die Deckfläche (12) dem Körper 1 zugewandt ist, ausgebildet. Auf der Seitenfläche der Matrix 2 sind durchgehende Radialnuten 13 ausgeführt, die mit den Austrittskanälen 9 durch einen im Körper 1 ausgebildeten Hohlraum 14 verbunden sind.
- Der Hohlraum der Wirbelkammer 4 (Fig. 6) kann eine Kugelform aufweisen. Außerdem kann die Wirbelkammer 4 (Fig. 7) im Körper 1 selbst ausgeführt werden.
- Der erfindungsgemäße Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype arbeitet wie folgt. Die Bohrflüssigkeit wird durch einen Bohrstrang in die tangential gerichteten Eintrittskanäle 5 (Fig. 1) gerichtet. Ferner strömt die Bohrflüssigkeit in die Wirbelkammer 4 ein. In der Wirbelkammer 4 wird die Bohrflüssigkeit in Rotation mit einer Rotationsfrequenz von 5.10² bis 8.10² s⁻¹ versetzt. Die rotierende Bohrflüssigkeit wird durch die tangentialen Austrittskanäle 9 und die Radialnuten 13 in den Ringraum gerichtet.
- Am Ausgang des Kanals 6 nimmt die Intensität der Rotation der Bohrflüssigkeit sprunghaft zu. Durch die kinetische Energie der turbulenten Strömung wird die Bohrflüssigkeit in radial divergierenden Richtungen in den Ringraum gefördert. Hierbei wird in der Wirbelkammer 4 und in der Zentralzone der Sohle ein Unterdruck erzeugt. Infolge eines periodischen Durchbruchs der Bohrflüssigkeit aus der bohrlochnahen Zone in die Wirbelkammer 4 werden in der bohrlochnahen Zone leistungsstarke hydrodynamische Druckimpulse von der Selbstschwingungsart erzeugt. Die Amplitude und die Frequenz der erzeugten Wellen hängen von den geometrischen Parametern der Wirbelkammer 4, dem Druckgefälle, der Dichte und der Menge der durchzupumpenden Flüssigkeit ab.
- Die durch die Einrichtung erzeugten hydroakustischen Wellen breiten sich in zwei Richtungen aus: nach innen der Wirbelkammer 4 und auf die Bohrlochsohle. Die nach innen gerichteten hydroakustischen Wellen werden durch den kegeligen Wellenreflektor 8 aufgenommen, von dessen Kegelfläche total reflektiert, in der Bohrflüssigkeit gestreut und üben keine zerstörende Wirkung auf den Kopf der Wirbelkammer 4 aus, wodurch die Betriebssicherheit und -dauer des Meißels vergrößert werden, während die auf die Bohrlochsohle gerichteten hydroakustischen Wellen den Zentralteil der Bohrlochsohle intensiv zerstören und in manch einem Gestein einer zahnförmigen mechanischen Gesteinszerstörung überlegen sind.
- Die Anwendung des angemeldeten Bohrmeißels gestattet es, die mechanische Bohrgeschwindigkeit und die Meißelstandlänge gegenüber den Prototypen und den besten einsetzbaren Meißeln wesentlich zu erhöhen.
- Die Effektivität wird durch Erzeugung einer hohen Wellenenergie gerichteter Wirkung in der bohrlochnahen Zone erzielt. Darüber hinaus sorgt der vorliegende Meißel für eine Wellenkolmatation der Bohrlochwand beim Durchfahren geologisch komplizierter Horizonte (in Nachfall-, Schluckzonen, bei Wasser-, Erdöl-, Erdgasaustritten).
-
- Die Erfindung kann bei der Bohrlochabteufung unter Benutzung von gesteinszerstörenden Organen der Schneid- und Abschertype eingesetzt werden.
Claims (4)
- Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype, der einen Körper (1) mit Kanälen für die Zuleitung einer Bohrflüssigkeit und an der Matrix (2) des Körpers (1) befestigt gesteinszerstörende Organe (3) der Schneid- und Abschertype enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) mit einer Wirbelkammer (4) mit in deren oberem Teil tangential angeordneten Eintrittskanälen (5) und einem zentralen Austrittskanal (6) versehen ist und im Unterteil des Körpers (1) tangential angeordnete Austrittskanäle (9) ausgeführt sind, wobei der dem Körper (1) am nächsten liegende Teil der Matrix (2) in Form eines hohlen Kegelstumpfel ausgebildet ist, der mit der Deckfläche (12) dem Körper (1) zugewandt und mit einer sich ändernden Steilheit der Erzeugenden der Kegelfläche und mit der Grund- und der Deckfläche (11, 12) ausgeführt ist, wobei auf der Seitenfläche der Matrix (2) durchgehende Radialnuten (13) ausgeführt sind, die mit den Austrittskanälen (9) des Körpers (1) durch einen in diesem ausgeführten Hohlraum verbunden sind.
- Bohrmeißel der Schneid- und Ahschertype nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (4) kugelförmig ausgebildet ist.
- Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (4) mit einem in deren oberem Teil in Richtung ihrer Längsachse angeordneten kegeligen Wellenreflektor (8) versehen ist, wobei die Kegelverjüngung (ψ) des kegeligen Wellenreflektors (8) der Beziehung
folgt,
worin
ψ die Kegelverjüngung des Wellenreflektors (8);
0' der kritische Gleitwinkel einer auf den Wellenreflektor (8) einfallenden Welle
ist. - Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Austrittskanal (6) mit einer Kegelverjüngung und seine Stirnfläche (7) abgerundet ausgeführt ist.
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EP0512329B1 EP0512329B1 (de) | 1995-02-22 |
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EP92106929A Expired - Lifetime EP0512329B1 (de) | 1991-05-06 | 1992-04-23 | Kernbohrmeissel mit hydrodynamischer Kernzerstörung |
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