EP0512330B1

EP0512330B1 - Bohrmeissel

Info

Publication number: EP0512330B1
Application number: EP92106952A
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: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: DE59207153D1; JP2610749B2; JPH06257367A; US5303784A; CA2068005A1; EP0512330A1; CA2068005C

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gesteinszerstörendes Bohrwerzeug und betrifft insbesondere einen Bohrmeißel.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Es ist ein Bohrmeißel bekannt, der einen Hohlkörper mit daran befestigten gesteinszerstörenden Organen - Rollen - enthält. Im Körper ist ein auswechselbarer Zylinder angeordnet, der bezüglich des ersteren durch Stifte fixiert ist. An den Körper ist durch eine Gewindeverbindung ein Meißelübergangstück angeschlossen, innerhalb dessen axial zum Körper eine Schieberbüchse einer Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen mit Seitenkanälen und einem Zentralkanal untergebracht ist, in denen verschleißfeste Aufsätze montiert sind. Das Meißelübergangsstück weist einen inneren Ringansatz auf, der als Stütze für eine die Büchse umfassende und mit dem Bördelrand der Büchse zusammenwirkende Feder dient.
Nach dem Einfahren des Bohrmeißels in ein Bohrloch wird zuerst durch den Zentralkanal der Schieberbüchse gespült. Hierbei wirkt auf den Bördelrand der Büchse eine Kraft ein, die durch ein Druckgefälle am Aufsatz bedingt ist, der im Zentralkanal angeordnet ist. Unter der Wirkung dieser Kraft wird die Feder zusammengedrückt, bis die Seitenkanäle unter die Stirnfläche des Zylinders zu liegen gekommen sind. Hierbei öffnen sich die Seitenkanäle, und der Flüssigkeitsdruck in der Büchse fällt um so viel ab, daß die Feder die Büchse nach oben zurückbringt, bis diese Kanäle überdeckt worden sind, und der Zyklus wiederholt sich. Bei der Abwärtsbewegung der Büchse wird die im Raum zwischen dieser und dem Meißelübergangsstück befindliche Spülflüssigkeit durch Überlauföffnungen nach oben ausgestoßen.
Die Frequenz der Pendelbewegungen der Büchse kann durch die Pumpenleistung und die Querschnittsfläche von Hydromonitoraufsätzen geregelt werden.
Der bekannte Bohrmeißel genügt den heutigen Forderungen an die Bohrtechnologie nicht und sichert keine effektive Bohrlochsabteufung aus folgenden Gründen:

die erzeugten hydrodynamischen Pulsationen der Bohrflüssigkeit tragen zur Gesteinszerstörung wegen deren niedriger Frequenz und geringer Amplitude nicht bei und sichern keine Vergrößerung von Bohrkennziffern - der mechanischen Geschwindigkeit und meißelstandlänge;
die Kompliziertheit der Konstruktion vom Standpunkt der :Herstellung und Montage erhöht die Herstellungskosten;
das Vorhandensein beweglicher Baugruppen und Elemente in der Konstruktion gewährleistet keine erforderliche Betriebsdauer und -sicherheit, insbesondere in einem abrasiven Medium der Bohrflüssigkeit.

Die Erfindung geht aus von dem in der GB-A-2 224 094 beschriebenen Ausbildung eines Bohrmeißels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei wird in einer Wirbelkammer ein Wirbel des Spülmediums erzeugt, der die Wirbelkammer über den Austrittskanal so verläßt, daß sich die Radien des Wirbels mit dem Abstand vom Austrittskanal vergrößern. Im Zentrum des Wirbels wird ein Unterdruck erzeugt, in dem Spülmedium entgegen der Wirbelausbreitungsrichtung strömt. Beim vorbekannten Bohrmeißel hat die Wirbelkammer mit dem Austrittskanal im Querschnitt eine Pilzform. Die Leistung des Bohrmeißels bzw. dessen Lebensdauer im Betrieb ist jedoch noch verbesserungswürdig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bohrmeißel dieser Gattung durch möglichst einfache konstruktive Änderung dahingehend zu verbessern, daß er sich durch längere Lebensdauer bzw. größere Leistung auszeichnet.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Patentansprüchen 1-3 gekennzeichnet.
In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen im einzelnen dargestellt; sie werden in der folgenden Figurenbeschreibung auch noch näher erläutert.
Ebenso wie beim Stand der Technik nach der GB-A-2 224 054 wird die Wirbelkammer im Austrittskanal verengt, so daß bei einer Verringerung des Kanaldurchmessers die Rotationsfrequenz der Flüssigkeit proportional zum Verhältnis der Durchmesser der Wirbelkammer und des Austrittsstutzens ab- und dementsprechend die Frequenz der Wellenstrahlung zunimmt.
Die Ausführung der Stirnfläche des Austrittskanals mit einer radialen Abrundung ist durch die Notwendigkeit bedingt, hydraulische Verluste bei der Lenkung der Bohrflüssigkeit in den Ringraum geringer zu halten, und verbessert auch die Güte des Vakuums in der bohrlochnahen Zone.
Nach einer Ausbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, den Hohlraum der Wirbelkammer kugelförmig auszuführen. Die Wahl der Form der Wirbelkammer in Kugelgestalt ist auf eine hohe Amplitude der durch im Selbstschwingungsbetrieb mit einer periodischen hydraulischen Selbstsperrung des Austrittskanals arbeitende Kugelstrahler erzeugten Wellen zurückzuführen.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Wirbelkammer mit einem in deren oberen Teil in Richtung ihrer Längsachse angeordneten kegeligen Wellenreflektor versehen, wobei der Neigungswinkel der Erzeugenden der Kegelfläche des Reflektors unterhalb des kritischen Wertes des Gleitwinkels einer auf die Kegelfläche einfallenden Welle liegt. Die Ausstattung der Wirbelkammer mit dem kegeligen Wellenrefektor gestattet es, einen hydroakustischen und Kavitationsverschleiß des Zentralteiles des Kammerkopfes zu verhindern und die Betriebsdauer des Bohrmeißels zu erhöhen.
Die Wahl des Neigungswinkels XX der Erzeugenden der Kegelfläche des Wellenreflektors nicht oberhalb des kritischen Wertes 0'des Gleitwinkels der akustischen Einfallswelle ist dadurch bedingt, daß die Grenzfläche der zwei Medien (Spülflüssigkeit 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 überträgt keine Energie aus dem ersten Medium (Spülflüssigkeit) in das zweite Medium (Metall), weshalb die Gesamtenergie der Einfallswelle zum ersten Medium ruckgestrahlt wird. Als Gleitwinkel wird ein Winkel zwischen der Wellenausbreitungsrichtung und der Grenzfläche bezeichnet. Der Kosinus des kritischen Gleitwinkels 0' ist gleich dem Brechnungskoeffizienten des zweiten Mediums in Bezug auf das erste (Snelliussches Gesetz) d. h. ${cos 0' = n = c/c}_{1},$
worin

c: die Schallgeschwindigkeit in der Spülflüssigkeit;
c₁: die Schallgeschwindigkeit im Metall;
n: der Brechungskoeffizient

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung ist die Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen mit einer Resonanzkammer versehen, deren Hohlraum mit dem Hohlraum der Wirbelkammer verbunden und deren Volumen variabel ist und in der ein Kolben mit einer Stange, mit der Möglichkeit einer Verschiebung in Längsrichtung, untergebracht ist.
Dies ist durch die Notwendigkeit bedingt, die erzeugten Wellen auf eine Resonanzfrequenz bei verschiedenen Durchflußmengen und Dichten der Bohrflüssigkeit abzustimmen. Die Abstimmung auf die Resonanzfrequenz erfolgt durch Verschiebung des Kolbens mittels einer Schneckenstange und durch Änderung des Volumens der Resonanzkammer unter dem Kolben.
Der erfindungsgemäß ausgeführte Bohrmeißel sichert eine hohe Effektivität der Bohrlochsabteufung. Außerdem ermöglicht er eine Wellenkolmatation der Bohrlochwand beim Durchfahren geologisch komplizierter Horizonte (in Nachfall-, Schluckzonen, bei Wasser-, Erdöl-, Erdgasaustritten). Die Anwendung des angemeldeten Bohrmeißels gestattet es auch, die mechanische Bohrgeschwindigkeit und die Meißelstandlänge wesentlich zu steigern.
Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an konkreten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen :

Fig. 1 die Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Bohrmeißels;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen kegeligen Wellenreflektor;
Fig. 3 die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Bohrmeißels, mit einer in dessen Körper ausgeführten Wirbelkammer;
Fig 4 einen IV-IV-Schnitt nach Fig. 2;
Fig. 5 die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Bohrmeißels mit einer Wirbelkammer;
Fig. 6 die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Bohrmeißels mit einer Resonanzkammer;
Fig. 7 eine Skizze zur Veranschaulichung der Arbeit des erfindungsgemäßen Bohrmeißels in einem Bohrloch.

Der erfindungsgemäße Bohrmeißel enthält einen Körper 1 (Fig. 1) mit daran befestigten gesteinszerstörenden Organen - Rollen 2. Im Körper 1 ist eine Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen angeordnet, die eine Wirbelkammer 3 mit tangential verlaufenden Eintrittskanälen 4 darstellt. Die Wirbelkammer 3 hat einen sehr kegelig verjüngenden Austrittskanal 5. Die Stirnfläche 6 dieses Kanals 5 ist radial abgerundet ausgeführt. Die Wirbelkammer 3 ist mit einem kegeligen Wellenreflektor 7 (Fig. 1, 2) versehen. Der kegelige Reflektor 7 dient zur Verhinderung eines Verschleißes des Kopfes der Wirbelkammer 3 unter der Einwirkung von hydroakustischen und Hydrostoß- Hochfrequenz- und Ultraschallwellen und tritt als hydroakustischer Wellenkonzentrator auf.
Als Körper der Wirbelkammer 3 (Fig. 3, 4) kann auch der Körper 1 des Bohrmeißels 1 dienen.
Um die Amplitude der erzeugten Wellen und die Effektivität des Gesteinszerstörung zu erhöhen, ist die Wirbelkammer 3 (Fig. 5) in Kugelform mit tangentialen Eintrittskanälen 4 und einem zentralen Austrittskanal 5 ausgeführt.
Zur Erhöhung der Bohrleistung ist die Wirbelkammer 3 (Fig. 6) mit einer Resonanzkammer 8 ausgestattet, in deren Innerem ein Kolben 9 mit einer Stange 10 untergebracht ist. Durch Ein- und Ausschrauben der Stange 1 wird das Volumen der Kammer 8 unter dem Kolben 9 geändert.
Der Bohrmeißel arbeitet wie folgt. Die Bohrflüssigkeit wird durch einen Bohrstrang 11 (Fig. 7) in die tangential gerichteten Eintrittskanäle 4 geleitet. Ferner strömt die Bohrflüssigkeit durch die tangentialen Kanäle. 4 in die Wirbelkammer 3 ein. In der Wirbelkammer 3 wird die Bohrflüssigkeit in Rotation versetzt und durch den Austrittskanal 5 in den Ringraum gerichtet.
Infolge der Einengung des Austrittskanals 5 nimmt an dessen Ausgang die Intensität der Rotation der Bohrflüssigkeit sprunghaft zu. Durch die kinetische Energie der turbulenten Strömung wird die Bohrflüssigkeit in radial devergierenden Richtungen in den Ringraum gelenkt. Hierbei wird in der Wirbelkammer 3 und in der Zentralzone der Sohle ein Unterdruck erzeugt. Infolge eines periodischen Durchbruches der Bohrflüssigkeit aus der bohrlochnahen Zone in die Wirbelkammer 3 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 3, dem Druckgefälle in der Einrichtung, der Dichte und der Menge der durchzupumpenden Flüssigkeit ab.
Die durch die Baugruppe erzeugten hydroakustischen Wellen breiten sich hauptsächlich in zwei Richtungen aus: nach innen der Wirbelkammer 3 und auf Bohrlochsohle. Die nach innen gerichteten hydroakustischen Wellen werden durch den kegeligen Wellenreflektor 7 aufgenommen, von dessen Kegelfläche total reflektiert und zerstreut, ohne eine zerstörende Wirkung auf den Kopf der Wirbelkammer 3 ausgeübt zu haben. Dadurch werden die Betriebssicherheit und -dauer des Meißels erhöht, während die auf die Bohrlochsohle gerichteten hydroakustischen Wellen der 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 des Rollentyps eingesetzt werden.

Claims

Bohrmeißel, der einen Körper (1) mit daran befestigten gegesteinszerstörenden Organen und mit einer in diesem angeordneten Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eines Spülmediums enthält, bei dem die Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eine Wirbelkammer (3) mit tangential angeordneten Eintrittskanälen (4) und einem sich kegelig verjüngenden Austrittskanal (5) mit einer abgerundeten Stirnfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirbelkammer (3) mit einem in deren oberem Teil in Richtung ihrer Längsachse angeordneten kegeligen Wellenreflektor (7) mit in Richtung des Austrittskanals (5) weisender Kegelspitze versehen ist, wobei der Neigungswinkel (ϕ) der Erzeugenden der Kegelfläche des Reflektors (7) unterhalb des kritischen Wertes (θ') des Gleitwinkels (θ) einer auf die Kegelfläche einfallenden Welle liegt, wobei der Gleitwinkel (θ) den Winkel zwischen der auf die Kegelfäche einfallenden Welle und der Kegelfläche darstellt und der Cosinus des kritischen Gleitwinkelwerts (θ') den Brechungskoeffizienten n zwischen dem Spülmedium und dem Werkstoff des Reflektors (7) gemäß der Relation n = c/c₁ (c = Schallgeschwindigkeit im Spülmedium; c₁ = Schallgeschwindigkeit im Reflektorwerkstoff) entspricht.
Bohrmeißel, der einen Körper (1) mit daran befestigten gesteinszerstörenden Organen und mit einer in diesem angeordneten Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eines Spülmediums enthält, bei dem die Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eine Wirbelkammer (3) mit tangential angeordneten Eintrittskanälen (4) und einem sich kegelig verjüngenden Austrittskanal (5) mit einer abgerundeten Stirnfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum der Wirbelkammer (3) kugelförmig ausgeführt und der Austrittskanal (5) zentral angeordnet ist.
Bohrmeißel, der einen Körper (1) mit daran befestigten gesteinszerstörenden Organen und mit einer in diesem angeordneten Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eines Spülmediums enthält, bei dem die Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen eine Wirbelkammer (3) mit tangential angeordneten Eintrittskanälen (4) und einem sich kegelig verjüngenden Austrittskanal (5) mit einer abgerundeten Stirnfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Baugruppe zur Erzeugung hydrodynamischer Wellen mit einer Resonanzkammer (8) versehen ist, deren Hohlraum mit dem Hohlraum der Wirbelkammer (3) in Verbindung steht und deren Volumen variabel ist.
Bohrmeißel nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Hohlraums der Resonanzkammer (8) durch einen verstellbaren Kolben (9) mit einer Stange (10) einstellbar ist, mit der der Kolben (9) in Längsrichtung verstellbar ist.