EP0512329B1

EP0512329B1 - Kernbohrmeissel mit hydrodynamischer Kernzerstörung

Info

Publication number: EP0512329B1
Application number: EP92106929A
Authority: EP
Inventors: Wsewolod Sergejewitsch Awdujewski; Rifner Wassilowitsch Ganijew; Robert Schakurowitsch Mufasalow; Jurij Petrowitsch Sacharow
Original assignee: Wave Tec GmbH
Current assignee: Wave Tec GmbH
Priority date: 1991-05-06
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: DE59201436D1; US5220966A; EP0512329A3; EP0512329A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gesteinszerstörendes Bohrwerkzeug und betrifft einen Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype.
Es ist ein Bohrmeißel (N.I. Andrianov, E.S. Bubnov e.a. "Almaznoe burenie" (Diamantbohren), 1961, Verlag "Gostophtekhizdat" (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 gesteinszerstörenden Organe sind am freien Ende, d.h. am Unterteil des Körpers befestigt. Im Zentralteil des Unterteils ist eine Kegelsenkung und auf deren Stirnfläche sind Radialnuten zur Entfernung des Bohrkleins angeordnet. Der Kegelhohlraum des Unterteils und die Radialnuten kommunizieren mit den Kanälen für die Zuleitung der Bohrflüssigkeit. Auf der mit der Bohrlochsohle kontaktierten Oberfläche des Unterteils sind z.B. verschleißfeste Zähne der Schneid- und Abschertype befestigt. Der bekannte Bohrmeißel läßt aber hinsichtlich der mechanischen Bohrgeschwindigkeit und Meißelstandslänge und der Effektivität der Bohrlochabteufung aus folgenden Gründen zu wünschen übrig:

Das System der im Körper für die Bohrflüssigkeit ausgeführten Spülkanäle sichert keine effektive Reinigung der Bohrlochsohle vom Bohrklein und keine Kühlung des gesteinszerstörenden Organs und
die geometrische Form der Ausführung des Unterteils des gesteinszerstörenden Organs gewährleistet keine genügend wirksame Gesteinszerstörung und keine ausreichende Betriebsdauer des Meißels.

Darüber hinaus ist ein Bohrmeißel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt (GB-A-2 224 054), bei dem am dem freien Ende abgewandten Körperteil eine Wirbelkammer angeordnet ist, um die axiale Bewegung der Bohrflüssigkeiten in eine kreisförmige Bewegung um die Bohrachse zu überführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrmeißel der oben genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß eine hohe Wellenenergie und möglichst optimal turbulente Strömung der Bohrflüssigkeit und hierdurch erzeugte hydrodynamische Wellen mit einem breiten Frequenzspektrum in der bohrlochnahen Zone erzeugt und ein Unterdruck in dieser ausgenutzt wird.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet, und in Unteransprüchen sind spezielle Verbesserungen beansprucht.
Im Unterteil des Körpers sind tangentiale Austrittskanäle angeordnet. Der dem Körper am nächsten liegende Teil des Unterteils ist in Form eines hohlen Kegelstumpfes ausgebildet, der mit der Deckfläche dem Körper zugewandt und mit einer sich ändernden Steilheit der Erzeugenden der Kegelfläche und mit der Grund- und Deckfläche ausgeführt ist. Diese ist insbesondere nach der Archimedischen Spirale geformt Dabei sind auf der Seitenfläche des Unterteils durchgehende Radialnuten ausgeführt, 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 erleichtert die Bildung hydrodynamischer Wellen welche den Vorgang der Gesteinszerstörung verbessern. Die Wirbelkammern stellen leistungsstarke hydrodynamische Wellenstrahler mit einem breiten Frequenzspektrum dar. Darüber hinaus erzeugt die Wirbelkammer in der bohrlochnahen Zone einen Unterdruck, was den Vorgang der Zerstörung und darüber hinaus die 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 des Unterteils 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 des Unterteils 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 Kegelstumpfes 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

$0 < φ ≦ 20'$

folgt,
worin φ 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 < φ ≦ 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:

$cos 0' = n = c/c₁,$

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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: ein Körperunterteil in axonometrischer Darstellung;
Fig. 5: die Ausbildung der Kegelfläche eines Teiles des Unterteils 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.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Der erfindungsgemäße Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype enthält einen Körper 1 (Fig. 1, 2), an dessen Unterteil 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 φ (Fig. 3) der Oberfläche des Wellenreflektors 8 wird aus der Beziehung

$0 < φ ≦ 20'$

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 des Unterteils 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 des Unterteils 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).

Industrielle Anwendbarkeit

Die Erfindung kann bei der Bohrlochabteufung unter Benutzung von gesteinszerstörenden Organen der Schneid- und Abschertype eingesetzt werden.

Claims

Bohrmeißel der Schneid- und Abschertype, der einen Körper (1) mit Kanälen für die Zuleitung einer Bohrflüssigkeit und am Unterteil (2) bzw. am freien Ende des Körpers (1) befestigte gesteinszerstörende Organe (3) der Schneid- und Abschertype enthält, und bei dem der Körper (1) mit einer Wirbelkammer (4) mit in deren oberem bzw. dem freien Ende abgewandtem Teil tangential angeordneten Eintrittskanälen (5) und mit einem zentralen Austrittskanal (6) im Bereich des freien Endes versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Unterteil (2) bzw. im Bereich des freien Endes des Körpers (1) tangentiale Austrittskanäle (9) angeordnet sind, daß der dem Körper (1) am nächsten liegende Teil des Unterteils (2) desselben in Form eines hohlen Kegelstumpfes ausgebildet ist, dessen Deckfläche (12) dem Körper (1) zugewandt ist und der eine sich ändernde Steilheit der Erzeugenden (10) der Kegelfläche zwischen der Grundfläche (11) und der Deckfläche (12) aufweist, und daß sich auf der Seitenfläche des Unterteils (2) durchgehende Radialnuten (13) befinden, die mit den tangentialen Austrittskanälen (9) des Körpers (1) durch einen in diesem ausgeführten Hohlraum verbunden sind.
Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (4) kugelförmig ausgebildet ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (4) mit einem in deren oberem bzw. dem freien Ende abgewandten Teil in Richtung ihrer Längsachse angeordneten kegeligen Wellenreflektor (8) versehen ist, und daß die Kegelverjüngung (φ ) des kegeligen Wellenreflektors (8) der Beziehung

$0 < φ ≦ 20'$

folgt,
worin φ die Kegelverjüngung des Wellenreflektors (8), 0' der kritische Gleitwinkel einer auf den Wellenreflektor (8) einfallende Welle ist.
Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Austrittskanal (6) mit einer Kegelverjüngung versehen und seine Stirnfläche (7) abgerundet ausgeführt ist.
Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende (10) der Kegelfläche entsprechend der Archimedischen Spirale geformt ist.