EP0768446B1 - Verfahren und Bohrgerät zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Formationen - Google Patents

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EP0768446B1
EP0768446B1 EP95115867A EP95115867A EP0768446B1 EP 0768446 B1 EP0768446 B1 EP 0768446B1 EP 95115867 A EP95115867 A EP 95115867A EP 95115867 A EP95115867 A EP 95115867A EP 0768446 B1 EP0768446 B1 EP 0768446B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
drilling tool
outer casing
bore hole
drilling
formation
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP95115867A
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English (en)
French (fr)
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EP0768446A1 (de
Inventor
Friedhelm Dipl.-Ing. Makohl
Carsten Dipl.-Ing. Vogt
Pudjihanto Surwano
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Baker Hughes Holdings LLC
Original Assignee
Baker Hughes Inc
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Publication date
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Priority to DE59508569T priority patent/DE59508569D1/de
Priority to NO19964272A priority patent/NO311046B1/no
Priority to US08/729,226 priority patent/US5845722A/en
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Priority to US09/205,969 priority patent/US6196336B1/en
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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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E21B7/208—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes using down-hole drives

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for Drilling a well into underground formations with at least one layer-like special formation that is adjacent to one in the direction of the sink Formation has significantly different formation pressures.
  • the invention addresses the problem, a method and a drilling device to create the above drawbacks when drilling wells into underground formations with significant formation pressure differences avoid.
  • the invention solves the problem by a method according to claim 1 and by a drill according to claim 9. With regard to essential Further refinements are made to claims 2 to 8 to 10 to 19.
  • the outer housing forms a shield for Formation that avoids the occurrence of tributaries as well as that Push formation areas towards drilling tool and pipe string.
  • the invention improves the above-mentioned effect of the outer housing by a drill bit is driven at the end of the outer housing, the shielding outer casing surrounds the directional drilling tool and with this works together as a unit.
  • the drilling rig schematically illustrated in Fig. 1 for sinking a Drilling into underground formations includes an above-ground derrick 1 with conventional equipment, one of which is screwed into a borehole 2 Pipe sections assembled pipe string 3, whose lower end in the usual way via connection thread with a drilling tool 4 is connected.
  • a compensation and pressure device 6 thruster
  • a compensation and pressure device 6 be screwed in between, with the help of mainly thermal ones Length differences while maintaining or specifying a desired one M adoptedeland pressure force can be compensated.
  • the drilling tool 4 comprises a composed of screwed pipe sections Tool housing 7 and one housed therein, only schematically indicated downhole motor 8 of any suitable, known training, the output shaft 9 at its lower end with a Drill bit 10 is screwed.
  • the system shown in Fig. 1 further comprises a pipe string 3 and that Drilling tool 4 surrounding outer housing 11, one of pipe sections composite well casing (liner or casing) forms and via a connecting device 12 (liner hanger) at its upper end can be connected to the pipe string 3.
  • This connecting device 12 provides a detachable connection with the tubing string 3 and allows one with the pipe string 3 retracting and pulling together the outer housing 11 in the borehole 2 or from this.
  • the tool housing 7 is in the area of the lower end of the upper Main part 13 of the outer housing 11 by an upper group 14 of locking members supported against downward movement, and the drive shaft 9 is in the area of a thickened section 15 by a lower group 16 of locking members with a lower separate end part 17 of the outer housing 11, which is independently rotatable at a lower end portion 18 of the main part 13 of the outer housing 11 is mounted and with the Drive shaft 9 around the common longitudinal central axis 19 of the drill can.
  • the lower end part 17 carries a drill bit 20 on the end face thereof Cutting plane approximately at the level of the cutting plane of the drill bit 10 Starting position.
  • the upper group 14 of the locking members is one in the outer housing 11 trained locking groove 21 in the form of an outwardly shaped annular Bag and formed by locking bars 22 on the tool housing 7 fixed by means of screws 23 at one end and with their free part a lowered starting position by the action of a spring 24 in a locking position are elastically deflectable, in which the locking bars 22 into the locking grooves 21 engage non-rotatably.
  • the locking bars 22 are in the illustrated Attach their top end with their free bottom end the pocket bottom 21 '; with possible fastening of the ledges 22 at its lower end is supported by a projection of the Engagement part 25 at the upper free end of the locking bars 22 on the pocket bottom 21 '.
  • the locking bars 22 are stressed in this case. At least three bars are provided, which regularly over the The circumference of the outer housing 11 and the tool housing 7 is arranged distributed are.
  • the lower group 16 of the locking members is in the lower end part 17 of the Outer housing 11 formed, longitudinal locking grooves 26 in shape from pockets shaped to the outside and from thickened Section 15 of the drive shaft 9 of the deep hole motor 8 by means of screws 23 fixed locking bars 27 formed, which also from a lowered starting position elastic by the action of a spring 28 in a locking position are deflectable, in the engaging parts 29 of the locking bars 27 into the locking grooves 26 intervene.
  • the lower group 16 comprises at least three pairs of Locking grooves 26 and locking strips 27, which are equiangular over the circumference of Outer housing 11 and drive shaft 9 are arranged distributed. Instead of shown attachment of the locking bars 27 with an overhead fastening point and the lower free end can also be used with the upper free end Be attached at the end and bottom of the attachment point.
  • the upper group 14 executed with an engagement length that is shorter than that Engagement length of the engagement parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16. This ensures that the engaging parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16 only in the locking grooves 26 intended for them the lower Group 16 can come up with.
  • the locking grooves 26 of the lower group 16 have an engagement length that is greater than that of the engaging parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16. This ensures that the lower end portion 17 of the outer housing 11 in shift in the axial direction relative to the drive shaft 9 between two end positions can, as illustrated in Figs. 2 and 3.
  • a bearing sleeve 30 is provided which from above into the lower end part 17 of the Inserted outer housing 11 and firmly connected to it, e.g. screwed is.
  • the lower end portion 18 of the upper body 13 of the outer case 11 engages around the bearing sleeve 30 and forms with a bearing surface 31 on its inside a plain bearing coaxial with the longitudinal central axis 19 of the drilling device.
  • the bearing sleeve 30 is in the lower end section 18 of the upper Main part 13 of the outer housing 11 is axially displaceably supported, so the lower end part 17, the above-mentioned axial mobility between 2 and the drilling operating position 3 to enable.
  • the bearing sleeve 30 has a collar 32 on the outside, the as a stop in cooperation with a shoulder 33 above the bearing surface 31 the lower end position for the lower end part 17 of the outer housing 11 defined.
  • the drilling operating position is the lower End of the locking ledges 27 defined with a counter surface 34 as a stop interact, which in the example shown from the end face of the screwed lower portion 35 of the lower end portion 17 of the outer housing 11 is formed, which in the overlying upper portion 36 of the lower end portion 17 of the outer housing 11 is screwed.
  • the drive shaft 9 of the deep hole motor 8 with one section 39 increased flexibility in the form of a circumferential, the bending resistance lowering confiscation, that of the downstream one Part of the drive shaft 9 gives an all-round elastic deflectability.
  • the flexible section 39 is when the drilling tool 4 in its lower end position in the outer housing 11, slightly below the Bend 40, on which the longitudinal central axis 19 of the drill in the angled lower axis part 19 'merges.
  • any type of bit can be used as the drill bit 10.
  • the drill bit 10 is provided with a stabilizer part 10 ' which is the inside of the lower portion 35 of the lower end part 17 is closely spaced, and has a side cutting surface that for example, by grinding, has a high accuracy of fit and with can fit through the drill bit 20.
  • first part of a borehole 2 with Drilled using a normal drilling tool similar to drilling tool 4 the through any, e.g. first formation formed by slate up to the vicinity of the border area to a downstream area Special formation descends, in which the formation pressure is much higher or less than that in the area of the first formation.
  • This first Formation with largely the same first formation pressure can be essentially one have a homogeneous structure, but can also consist of several different ones There are partial formations between which there are no significant ones Formation pressure differences exist.
  • the drilling tool 4 is set down and locked in the outer housing 11 is, the upper end of the outer housing 11 by means of the connecting device 12, which may be of any suitable, known design, connected to tubing string 3 and then out of the rig support solved.
  • the unit of parts 3, 4 and 11 thus formed is now under further construction of the pipe string 3 in the first part of the borehole 2 further retracted until drill bit 10 and drill bit 11 reach the bottom of borehole 2 to reach.
  • the drilling tool 4 is then put into operation, what happens by switching on or starting the deep hole motor 8, for example by training as a turbine or Moineau motor is put into operation with drilling fluid. This is done by the central Flushing channel 41 in the drill string supplied from above and occurs Flow through the central flushing channel 41 from the face of the drill bit 10 in the borehole 2 to subsequently in the annulus between the drill and to flow back into the borehole wall above ground.
  • the tubular string 3 becomes tubular Carried outer housing 11, wherein by rotating the drill bit 20 on lower end of the outer housing 11 this in turn like a drilling tool works.
  • the outer housing 11 lines the borehole in the region of its length 2 off, absorbs inward formation forces as soon as these, for example become effective when the pressure drops in the drilling fluid, and causes a waterproofing that may be perfected by cementing can be.
  • the drilling tool can be loosened the connecting device 12 and the bore, for example can be used as a production well after being fully lined. Is the borehole extends far beyond the special formation can give after pulling the previously connected to the outer housing 11 Bohrwerkmaschines4 a second drilling tool with a pipe string into it Borehole are retracted, which can be passed through the offset outer housing are and can take over the further drilling of the hole. If there is further sinking at a considerable distance from the first Special formation Another special formation to be pierced, a second one Drilling rig with a second outer housing are used, that can be passed through the stepped first outer housing. The sequence the drilling process with the second drill is then analogous to that the above-described process.
  • the upper main part 13 of the outer housing 11 is advantageously by the Pipe string 3 for the purpose of reducing friction or to guide the straight line Drilling tool 4 set in rotation. If the outer housing 11 with a Angled in its lower area and the drill thus closed Directional drilling operations can be used after determining the direction course of the angled part of the outer housing 11 this through the Pipe string 3 is secured against twisting from above ground, which means that in the event of further Drilling progress a part of the borehole that has been changed in its direction is drilled.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen mit zumindest einer schichtförmigen Sonderformation, die zu einer in Abteufrichtung benachbarten Formation erheblich unterschiedliche Formationsdrücke aufweist.
Trifft eine Bohrung, die zunächst in einer ersten Formation mit einem ersten Formationsdruck abgeteuft wird, auf eine zweite Formation mit erheblich niedrigerem Formationsdruck, beispielsweise auf eine poröse Schicht, wie sie für Gas- und/oder Oellagerstätten typisch ist, dann fällt, gegebenenfalls schlagartig, der Druck in der Bohrspülung ab mit der Folge, daß der zuvor im Ringraum herrschende Druckausgleich zwischen dem Formationsdruck der ersten Formation und dem Druck der Bohrsprülung entfällt und sich zumindest Bereiche der ersten Formation sich an den Rohrstrang anlegen und diesen festsetzen können, was mit einem Verlust der Bohrung und der Hauptteile des Bohrgeräts einhergeht.
Trifft eine Bohrung, die zunächst in einer ersten Formation mit einem ersten Formationdruck abgeteuft wird, auf eine Formation mit wesentlich höherem Formationsdruck, dann entsteht die Gefahr von Zuflüssen formationseigener Medien in die Bohrspülung, durch die Bohrspülung aus dem Ringraum und dem Rohrstrang oberirdisch herausgedrückt werden kann. Wird das Gewicht der Bohrspülung erhöht, was durch Einleitung von Schwerspat oder Eisenoxid zur Bohrspülung vorgenommen werden kann, um für den hohen Druck der angebohrten Formation einen Ausgleich zu schaffen, dann treten in der ersten-Bohrspülungsverluste auf.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, ein Verfahren und ein Bohrgerät zu schaffen, welche die vorstehenden Nachteile beim Abteufen von Bohrungen in unterirdische Formationen mit erheblichen Formationsdruckunterschieden vermeiden. Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Bohrgerät gemäß Anspruch 9. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 8 bis 10 bis 19 verwiesen.
Aus jedem der Dokumente DE-C-3902868, EP-A-0462618 ist bekannt, daß ein Außengehäuse gleichzeitig und gleichförmig mit dem Richtbohrwerkzeug vorgetrieben und das vordere Ende des Außengehäuses durch den vorderen Teil des Richtbohrwerkzeugs ausgerichtet wird.
Durch das Mitführen eines Außengehäuses (Liner oder Casing) nimmt dieses die Formationsdrücke auf, so daß das Bohrgerät betriebsbereit und die Bohrung weiterbenutzbar bleiben. Das Außengehäuse bildet eine Abschirmung zur Formation hin, die das Auftreten von Zuflüssen ebenso vermeidet wie das Heranschieben von Formationsbereichen an Bohrwerkzeug und Rohrstrang.
Die Erfindung verbessert die genannte Wirkung des Außengehäuses, indem eine Bohrkrone am Ende des Außengehäuses angetrieben wird, wobei das abschirmende Außengehäuse das Richtbohrwerkzeug umgibt und mit diesem als Einheit zusammenwirkt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs, das in der Zeichnung in zwei Ausführungen näher veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine schematische Gesamtdarstellung einer Bohranlage mit einem Bohrgerät erfindungsgemäßer Ausbildung,
Fig. 2
einen Längsschnitt durch ein Bohrwerkzeug erster Ausführung in einer unteren Endstellung in einem unteren Abschnitt eines Außengehäuses, aufgeteilt in zwei aneinander anschließende Teildarstellungen,
Fig. 3
eine Darstellung ähnlich Fig. 2 zur Veranschaulichung des unteren Endteils des Außengehäuses in Bohrbetriebsstellung,
Fig. 4
eine einteilige Darstellung von Außengehäuse und Bohrwerkzeug nach Fig. 2 mit zwei Ausschnittvergrößerungen, und
Fig. 5
eine Darstellung ähnlich Fig. 2 einer zweiten Ausführung des Bohrwerkzeugs nach der Erfindung.
Die in Fig. 1 schematisch veranschaulichte Bohranlage für das Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen umfaßt einen oberirdischen Bohrturm 1 mit üblicher Ausrüstung, von dem sich in ein Bohrloch 2 ein aus verschraubten Rohrabschnitten zusammengesetzter Rohrstrang 3 heraberstreckt, dessen unteres Ende in üblicher Weise über Anschlußgewinde mit einem Bohrwerkzeug 4 verbunden ist. Dabei kann wie dargestellt zwischen dem Rohrstrangende 5 und dem Bohrwerkzeug 4 eine Ausgleichs- und Druckvorrichtung 6 (thruster) zwischengeschraubt sein, mit deren Hilfe vornehmlich thermisch bedingte Längendifferenzen unter Aufrechterhaltung bzw. Vorgabe einer gewünschten Meißelandruckkraft ausgeglichen werden können.
Das Bohrwerkzeug 4 umfaßt ein aus verschraubten Rohrabschnitten zusammengesetztes Werkzeuggehäuse 7 und einen in diesem untergebrachten, lediglich schematisch angedeuteten Tieflochmotor 8 irgendeiner geeigneten, bekannten Ausbildung, dessen Abtriebswelle 9 an ihrem unteren Ende mit einem Bohrmeißel 10 verschraubt ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Anlage umfaßt ferner ein den Rohrstrang 3 und das Bohrwerkzeug 4 umgebendes Außengehäuse 11, das eine aus Rohrabschnitten zusammengesetzte Bohrlochauskleidung (Liner oder Casing) bildet und über eine Verbindungsvorrichtung 12 (liner hanger) an seinem oberen Ende mit dem Rohrstrang 3 verbindbar ist. Diese Verbindungsvorrichtung 12 stellt eine auflösbare Verbindung mit dem Rohrstrang 3 her und ermöglicht ein mit dem Rohrstrang 3 gemeinsames Einfahren und Aufziehen des Außengehäuses 11 in das Bohrloch 2 bzw. aus diesem.
Das Werkzeuggehäuse 7 ist im Bereich des unteren Endes des oberen Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 durch eine obere Gruppe 14 von Riegelgliedern gegen Abwärtsbewegung gesichert abgestützt, und die Antriebswelle 9 ist im Bereich eines verdickten Abschnitts 15 durch eine untere Gruppe 16 von Riegelgliedern mit einem unteren gesonderten Endteil 17 des Außengehäuses 11 verbunden, das unabhängig drehbar an einem unteren Endabschnitt 18 des Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 gelagert ist und mit der Antriebswelle 9 um die gemeinsame Längsmittelachse 19 des Bohrgeräts umlaufen kann. Das untere Endteil 17 trägt stirnseitig eine Bohrkrone 20, deren Schneidebene eine etwa in Höhe der Schneidebene des Bohrmeißels 10 gelegene Ausgangsstellung einnimmt.
Die obere Gruppe 14 der Riegelglieder wird von einer im Außengehäuse 11 ausgebildeten Riegelnut 21 in Form einer von nach außen ausgeformten ringförmigen Tasche und von Riegelleisten 22 gebildet, die am Werkzeuggehäuse 7 mittels Schrauben 23 an einem Ende festgelegt und mit ihrem freien Teil aus einer versenkten Ausgangsstellung durch Wirkung einer Feder 24 in eine Riegelstellung elastisch auslenkbar sind, in der die Riegelleisten 22 in die Riegelnuten 21 verdrehfest eingreifen. Dabei liegen die Riegelleisten 22 bei der dargestellten Befestigung ihres oberen Endes mit ihrem freien unteren Ende auf dem Taschenboden 21' auf; bei auch möglicher Befestigungs der Riegelleisten 22 an ihrem unteren Ende erfolgt die Abstützung durch einen Vorsprung des Eingriffsteils 25 am oberen freien Ende der Riegelleisten 22 auf dem Taschenboden 21'. Die Riegelleisten 22 werden in diesem Falle auf Zug beansprucht. An Riegelleisten 22 sind zumindest drei vorgesehen, die regelmäßig über den Umfang des Außengehäuses 11 bzw. des Werkzeuggehäuses 7 verteilt angeordnet sind.
Die untere Gruppe 16 der Riegelglieder wird von im unteren Endteil 17 des Außengehäuses 11 ausgebildeten, längsgerichteten Riegelnuten 26 in Form von rinnenförmig nach außen ausgeformten Taschen und von am verdickten Abschnitt 15 der Antriebswelle 9 des Tieflochmotors 8 mittels Schrauben 23 festgelegten Riegelleisten 27 gebildet, die ebenfalls aus einer versenkten Ausgangsstellung durch Wirkung einer Feder 28 in eine Riegelstellung elastisch auslenkbar sind, in der Eingriffsteile 29 der Riegelleisten 27 in die Riegelnuten 26 eingreifen. Die untere Gruppe 16 umfaßt zumindest drei Paarungen von Riegelnuten 26 und Riegelleisten 27, die gleichwinklig über den Umfang von Außengehäuse 11 bzw. Antriebswelle 9 verteilt angeordnet sind. Anstelle der dargestellten Anbringung der Riegelleisten 27 mit obenliegender Befestigungsstelle und unterem freien Ende können diese auch mit oberem freien Ende und unten befindlicher Befestigungsstelle angebracht sein.
Um sicherzustellen, daß die Riegelleisten 27 der unteren Gruppe 16 nicht in die Riegelnut 21 der oberen Gruppe 14 einfallen können, ist die Riegelnut 21 der oberen Gruppe 14 mit einer Eingriffslänge ausgeführt, die kürzer ist als die Eingriffslänge der Eingriffsteile 29 der Riegelleisten 27 der unteren Gruppe 16. Dadurch ist sichergestellt, daß die Eingriffsteile 29 der Riegelleisten 27 der unteren Gruppe 16 nur in die für sie bestimmten Riegelnuten 26 der unteren Gruppe 16 einfallen können.
Die Riegelnuten 26 der unteren Gruppe 16 weisen eine Eingriffslänge auf, die größer ist als die der Eingriffsteile 29 der Riegelleisten 27 der unteren Gruppe 16. Dies stellt sicher, daß sich das untere Endteil 17 des Außengehäuses 11 in axialer Richtung relativ zur Antriebswelle 9 zwischen zwei Endstellungen verlagern kann, wie sie in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht sind. Dabei bildet die in Fig. 3 dargestellte obere Endstellung die Bohrbetriebsstellung, in der die Schneidebene der Bohrkrone 20 gegenüber der des Bohrmeißels 10 aufwärts versetzt ist und den Bohrmeißel 10 im Bereich seiner Seitenschneidfläche umgibt. Dies schafft einen besseren Abfluß von Bohrspülung und Bohrklein.
Zur Lagerung des unteren Endteils 17 am Hauptteil 13 des Außengehäuses 11 ist eine Lagerhülse 30 vorgesehen, die von oben in den unteren Endteil 17 des Außengehäuses 11 eingesetzt und mit diesem fest verbunden, z.B. verschraubt ist. Der untere Endabschnitt 18 des oberen Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 umgreift die Lagerhülse 30 und bildet mit einer Lagerfläche 31 an seiner Innenseite ein zur Längsmittelachse 19 des Bohrgeräts koaxiales Gleitlager. Zugleich ist die Lagerhülse 30 im unteren Endabschnitt 18 des oberen Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 axial verschieblich abgestützt, um so dem unteren Endteil 17 die oben schon erwähnte axiale Beweglichkeit zwischen der Ausgangsstellung nach Fig. 2 und der Bohrbetriebsstellung nach Fig. 3 zu ermöglichen.
An ihrem oberen Ende weist die Lagerhülse 30 außenseitig einen Bund 32 auf, der als Anschlag in Zusammenwirken mit einer Schulter 33 oberhalb der Lagerfläche 31 die untere Endstellung für den unteren Endteil 17 des Außengehäuses 11 definiert. Die Bohrbetriebsstellung wird hingegen durch das untere Ende der Riegelleisten 27 definiert, die mit einer Gegenfläche 34 als Anschlag zusammenwirken, die bei dem dargestellten Beispiel von der Stirnfläche des eingeschraubten unteren Abschnitts 35 des unteren Endteils 17 des Außengehäuses 11 gebildet wird, der in den darüberliegenden oberen Abschnitt 36 des unteren Endteils 17 des Außengehäuses 11 eingeschraubt ist.
Während das Bohrgerät nach Fig. 1 bis 4 zum Abteufen von geraden Bohrlöchern 2 ausgebildet ist, ermöglicht die Ausgestaltung des Bohrgerätes nach Fig 5 die Ausführung von Richtungsbohrungen in unterirdische Formationen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bei sonst unveränderter Ausführung des Außengehäuses 11 der untere Endabschnitt 18 des oberen Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 unter einem spitzen Winkel 37 von beispielsweise 1-3 ° zu dem darüber befindlichen Hauptteil 13 ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise durch eine winklige Ausrichtung des Gewindes 38 am unteren Ende des Hauptteils 13 des Außengehäuses 11 verwirklicht sein, auf das der untere Endabschnitt 18 aufgeschraubt wird. Statt dessen kann auch ein gesondertes Winkelstück als zwischenschraubbares Übergangsteil vorgesehen sein.
Um sicherzustellen, daß das Bohrwerkzeug 4 seine untere Endstellung im Außengehäuse 11 einnehmen kann, ist bei sonst unveränderter Ausbildung des Bohrwerkzeugs 4 die Antriebswelle 9 des Tieflochmotors 8 mit einem Abschnitt 39 erhöhter Flexibilität in Gestalt einer umlaufenden, den Biegewiderstand herabsetzenden Einziehung versehen, der dem sich abwärts anschließenden Teil der Antriebswelle 9 eine allseitige elastische Auslenkbarkeit verleiht. Der flexible Abschnitt 39 befindet sich, wenn sich das Bohrwerkzeug 4 in seiner unteren Endstellung im Außengehäuse 11 befindet, geringfügig unterhalb der Abwinklung 40, an der die Längsmittelachse 19 des Bohrgeräts in den abgewinkelten unteren Achsteil 19' übergeht.
Als Bohrmeißel 10 kann grundsätzlich jeder Meißeltyp Anwendung finden. Wesentlich ist jedoch, daß der Bohrmeißel 10 mit einem Stabilisatorteil 10' versehen ist, der der Innenseite des unteren Abschnitts 35 des unteren Endteils 17 in dichtem Abstand gegenüberliegt, und eine Seitenschneidfläche aufweist, die beispielsweise durch Überschleifen eine hohe Paßgenauigkeit aufweist und mit enger Passung die Bohrkrone 20 durchgreifen kann.
Zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen, deren Verlauf und Zusammensetzung in der Regel durch vorausgegangene geologische Untersuchungen bekannt ist, wird zunächst ein erster Teil eines Bohrlochs 2 mit Hilfe eines normalen Bohrwerkzeugs ähnlich dem Bohrwerkzeug 4 erbohrt, der sich durch irgendeine, z.B. von Schiefer gebildete, erste Formation hindurch bis in die Nähe des Grenzbereiches zu einer in Abteufrichtung nachfolgenden Sonderformation herabreicht, in der der Formationsdruck wesentlich höher oder niedriger ist, als er im Bereich der ersten Formation vorliegt. Diese erste Formation mit weitgehend gleichem ersten Formationsdruck kann eine im wesentlichen homogene Struktur haben, kann jedoch auch aus mehreren unterschiedlichen Teilformationen bestehen, zwischen denen keine erheblichen Formationsdruckunterschiede vorliegen.
Nach Abteufen dieses ersten Teils des Bohrlochs 2 wird das normale Bohrwerkzeug aufgezogen und in das Bohrloch 2 das Außengehäuse 11 eingefahren, das in der Länge so bemessen wird, daß es die vorermittelte Dicke der nachfolgenden Sonderformation überschreitet. Diese Sonderformation kann beispielsweise eine solche mit hohem Formationsdruck sein, wie das beispielsweise bei Deckschichten oberhalb von Gas- oder Öllagerschichten der Fall ist. Nach Einfahren des mit seinem oberen Ende zu diesem Zeitpunkt bohrturmseitig abgestützten Außengehäuses 11 in das Bohrloch 2 wird in das Außengehäuse 11 nunmehr das Bohrwerkzeug 4 unter fortschreitendem Aufbau des Rohrstrangs 3 eingefahren, bis das Bohrwerkzeug 4 eine untere, durch die obere Gruppe 14 der Riegelglieder 21,22 definierte Endstellung im Außengehäuse 11 erreicht hat und in dieser gegen weitere Abwärtsbewegung gesichert ist. In dieser unteren Endstellung, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht ist, ist über die Riegelglieder 26,27 der unteren Gruppe 16 eine Verbindung zwischen der Antriebswelle 9,15 und dem unteren Endteil 17 des Außengehäuses 11 hergestellt, die bei Aufnahme des Bohrbetriebs sicherstellt, daß Antriebswelle 9 und unterer Endteil 17 des Außengehäuses 11 gemeinsam um die Längsmittelachse 19 des Bohrgeräts umlaufen und dadurch den Bohrmeißel 10 und die Bohrkrone 12 gemeinsam in Umdrehung versetzen.
Sobald das Bohrwerkzeug 4 im Außengehäuse 11 abgesetzt und verriegelt ist,wird das obere Ende des Außengehäuses 11 mittels der Verbindungsvorrichtung 12, die irgendeine geeignete, bekannte Ausbildung aufweisen kann, mit dem Rohrstrang 3 verbunden und danach aus der bohrturmseitigen Abstützung gelöst. Die so gebildete Einheit der Teile 3,4 und 11 wird nun unter weiterem Aufbau des Rohrstrangs 3 in den ersten Teil des Bohrlochs 2 weiter eingefahren, bis Bohrmeißel 10 und Bohrkrone 11 die Sohle des Bohrlochs 2 erreichen. Anschließend wird nun das Bohrwerkzeug 4 in Betrieb genommen, was durch Einschalten bzw. Anfahren des Tieflochmotors 8 geschieht, der beispielsweise bei Ausbildung als Turbine oder Moineau-Motor durch Beaufschlagen mit Bohrspülung in Betrieb genommen wird. Diese wird durch den zentralen Spülungskanal 41 im Bohrstrang von übertage her zugeführt und tritt nach Durchströmen des zentralen Spülungskanals 41 stirnseitig aus dem Bohrmeißel 10 in das Bohrloch 2 aus, um nachfolgend im Ringraum zwischen Bohrgerät und Bohrlochwandung nach übertage zurückzuströmen.
Beim nachfolgenden Abteufen eines weiteren, zumindest die Sonderformation durchquerenden Teils des Bohrlochs 2 wird vom Rohrstrang 3 das rohrförmige Außengehäuse 11 mitgeführt, wobei durch das Umlaufen der Bohrkrone 20 am unteren Ende des Außengehäuses 11 dieses seinerseits wie ein Bohrwerkzeug wirkt. Das Außengehäuse 11 kleidet im Bereich seiner Länge das Bohrloch 2 aus, nimmt einwärtsgerichtete Formationskräfte auf, sobald diese beispielsweise bei Druckabfall in der Bohrspülung wirksam werden, und bewirkt eine Abdichtung, die gegebenenfalls durch Einzementierung noch vervollkommnet werden kann.
Hat die Bohrung nach Durchqueren der Sonderformation ihr Ziel, beispielsweise eine Gas- oder Öllagerstätte, erreicht, kann das Bohrwerkzeug nach Lösen der Verbindungsvorrichtung 12 aufgezogen und die Bohrung beispielsweise nach vollständiger Auskleidung als Produktionsbohrung verwendet werden. Ist dem Bohrloch ein weit über die Sonderformation herabreichender Verlauf zu geben, kann nach Aufziehen des zuvor mit dem Außengehäuse 11 verbundenen Bohrwerkzeugs4 ein zweites Bohrwerkzeug mitsamt Rohrstrang in das Bohrloch eingefahren werden, die durch das abgesetzte Außengehäuse hindurchführbar sind und das weitere Abteufen der Bohrung übernehmen können. Dabei kann, sofern bei weiterem Abteufen in erheblichem Abstand zur ersten Sonderformation eine weitere Sonderformation zu durchbohren ist, ein zweites Bohrgerät mit einem zweiten Außengehäuse zum Einsatz gebracht werden, das durch das abgesetzte erste Außengehäuse hindurchführbar ist. Der Ablauf des Bohrvorganges mit dem zweiten Bohrgerät gestaltet sich dann analog dem vorbeschriebenen Ablauf.
In Fällen, in denen mehrere Sonderformationen in Abteufrichtung in verhältnismäßig dichtem Abstand aufeinanderfolgen, kann es zweckmäßig sein, das Außengehäuse durch sämtliche Sonderformationen hindurch mitzuführen und dementsprechend die Bohrlochauskleidung über sämtliche Sonderformationen zu erstrecken.
Beim Abteufen von geraden Bohrungen unter Mitführung des Außengehäuses 11 wird der obere Hauptteil 13 des Außengehäuses 11 vorteilhaft durch den Rohrstrang 3 zum Zwecke der Reibungsminderung bzw. zur Geradführung des Bohrwerkzeugs 4 in Drehung versetzt. Sofern das Außengehäuse 11 mit einer Abwinklung in seinem unteren Bereich versehen und das Bohrgerät somit zu Richtbohrvorgängen einsetzbar ist, wird nach Bestimmung des Richtungsverlaufes des abgewinkelten Teils des Außengehäuses 11 dieses durch den Rohrstrang 3 von übertage her gegen Verdrehen gesichert, wodurch bei weiterem Bohrfortschritt ein in seine Richtung entsprechend geänderter Bohrlochteil erbohrt wird.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen mit zumindest einer schichtförmigen Sonderformation, die zu einer in Abteufrichtung benachbarten Formation erheblich unterschiedliche Formationsdrücke aufweist, bei dem durch ein vom unteren Ende eines Rohrstrangs getragenes Bohrwerkzeug mit einem von einem Tieflochmotor angetriebenen Bohrmeißel ein erster Teil eines Bohrlochs erbohrt wird, der bis nahe an den Grenzbereich zu der zumindest einen Sonderformation herabreicht, dadurch gekennzeichnet , daß beim nachfolgenden Abteufen eines weiteren, zumindest eine Sonderformation durchquerenden Teils des Bohrlochs vom Rohrstrang ein rohrförmiges Außengehäuse mit einem unteren, eine angetriebene Bohrkrone tragenden Ende mitgeführt und durch dieses das Bohrloch zumindest im Bereich der Sonderformation ausgekleidet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß
    nach Erbohren des ersten Bohrlochteils der Rohrstrang mitsamt Bohrwerkzeug aufgezogen wird,
    in das Bohrloch das rohrförmige, am unteren Ende mit der Bohrkrone versehene Außengehäuse von einer Länge eingefahren wird, welche die vorermittelte Dicke der zumindest einen Sonderformation überschreitet,
    in das Außengehäuse ein Bohrwerkzeug mitsamt Rohrstrang eingeführt und das Bohrwerkzeug in einer unteren Endstellung im Außengehäuse abgesetzt und festgelegt wird, in der die Bohrkrone und der Bohrmeißel annähernd in gleicher Höhe liegen,
    das obere Ende des Außengehäuses mit dem Rohrstrang verbunden wird,
    der Rohrstrang mitsamt Außengehäuse weiter in das Bohrloch bis zum Erreichen der Bohrlochsohle eingefahren wird, und
    nach Erreichen der Bohrlochsohle der Bohrmeißel und mit diesem ein die Bohrkrone tragendes unteres Endteil des Außengehäuses in gemeinsamen Bohrbetrieb genommen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abteufen der Bohrung in Formationen mit nur einer Sonderformation und einem weit über die Sonderformation herabreichenden, vorgegebenen Bohrlochverlauf das Abteufen des Bohrlochs nach Durchqueren der Sonderformation beendet, die Verbindung des Außengehäuses mit dem Rohrstrang gelöst, der Rohrstrang mitsamt Bohrwerkzeug aufgezogen und das weitere Abteufen des Bohrlochs mit einem mitsamt Rohrstrang durch das Außengehäuse hindurchführbaren zweiten Bohrwerkzeugs vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren, in Abteufrichtung benachbarten oder verhältnismäßig dicht aufeinanderfolgenden Sonderformationen der weitere Teil des Bohrlochs durch sämtliche Sonderformationen hindurch unter Mitführung des Außengehäuses abgeteuft wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß
    bei mehreren, in Abteufrichtung verhältnismäßig weit voneinander entfernten Sonderformationen das Abteufen des weiteren Teils des Bohrlochs nach Durchqueren der ersten Sonderformation beendet, die Verbindung des Außengehäuses mit dem Rohrstrang gelöst, der Rohrstrang mitsamt Bohrwerkzeug aufgezogen und der weitere Teil des Bohrlochs mit einem mitsamt Rohrstrang durch das Außengehäuse hindurchführbaren zweiten Bohrwerkzeug bis nahe an den Grenzbereich zu einer zweiten Sonderformation vorgenommen wird,
    nach Abteufen des weiteren Teils des Bohrlochs das Bohrwerkzeug mitsamt Rohrstrang aufgezogen wird,
    in das Bohrloch ein mit einer Bohrkrone versehenes, durch das erste Außengehäuse hindurchführbares zweites Außengehäuse von einer auf die Dicke der nachfolgend zu erbohrenden Sonderformation abgestimmten Länge eingefahren wird,
    das zweite Bohrwerkzeug im zweiten Außengehäuse abgesetzt und das zweite Außengehäuse mit dem zweiten Rohrstrang verbunden wird, und
    die Gerätegruppe bis zum Erreichen der Bohrlochsohle weiter eingefahren und anschließend ein dritter Teil des Bohrlochs erbohrt wird, der zumindest die zweite Sonderformation durchquert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das oder die Außengehäuse im Bohrloch in ihrer Sollstellung einzementiert werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das jeweilige Außengehäuse und das in diesem jeweils abgesetzte Bohrwerkzeug ein Richtungsbohrgerät bilden und zu Richtungsbohrungen eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der obere Hauptteil des Außengehäuses durch den Rohrstrang zur Reibungsminderung und/oder zum Geradeausbohren beim Abteufen des Bohrlochs in Drehung versetzt wird.
  9. Bohrgerät zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen mit zumindest einer schichtförmigen Sonderformation, die zu einer in Abteufrichtung benachbarten Formation einen erheblich abweichenden Formationsdruck aufweist, mit einem Rohrstrang (3) und einem Bohrwerkzeug (4), das ein rohrförmiges Werkzeuggehäuse (7), das an einem oberen Ende mit dem unteren Ende (5) des Rohrstranges (3) verbindbar ist, einen Tieflochmotor (8) und einen Bohrmeißel (10) umfaßt, der auf einem über das untere Ende des Werkzeuggehäuses (7) vorstehenden Ende der Antriebswelle (9) des Tieflochmotors (8) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet , daß es ein Außengehäuse (11) umfaßt, das eine zumindest die Dicke der Sonderformation übersteigende Länge, am unteren Ende eine Bohrkrone (20) und am oberen Ende eine ein- und ausrückbare Verbindungsvorrichtung (12) zur Festlegung des Außengehäuses (11) auf dem Rohrstrang (3) aufweist, und daß Bohrwerkzeug (4) und Außengehäuse (11) mit Riegelgliedern (21,22;26,27) versehen sind, von denen eine obere Gruppe (14) das Werkzeuggehäuse (7) in einer unteren Endstellung im Außengehäuse (11) abstützt, und von denen eine untere Gruppe (16) die Antriebswelle (9) des Tieflochmotors (8) und ein unabhängig drehbar gelagertes Endteil (17) des Außengehäuses (11) für eine gemeinsame Drehbewegung verbindet.
  10. Bohrgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Riegelglieder (21,22) der oberen Gruppe (14) dem Bohrwerkzeug (4) eine untere Endstellung im Außengehäuse (11) mit in Höhe der Bohrkrone (20) des Außengehäuses (11) gelegenem Bohrmeißel (10) vorgeben.
  11. Bohrgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die obere Gruppe (14) der Riegelglieder (21,22;26,27) eine im Außengehäuse (11) ausgebildete Riegelnut (21) in Form einer nach außen ausgeformten, ringförmigen Tasche und am Werkzeuggehäuse (7) schwenkbar gelagerte Riegelleisten (22) umfaßt, die aus einer versenkten Ausgangsstellung durch Federwirkung in eine Riegelstellung ausklappbar sind, in der die Riegelleisten (22) in die Riegelnuten (21) eingreifen und mit dem Taschenboden (25) in axialem Stützeingriff stehen.
  12. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die untere Gruppe (16) der Riegelglieder (21,22;26,27) im unteren Endteil (17) des Außengehäuses (11) ausgebildete, längsgerichtete Riegelnuten (26) in Form von rinnenförmig nach außen ausgeformten Taschen und an der Antriebswelle (9) des Tieflochmotors (8) schwenkbar gelagerte Riegelleisten (27) umfaßt, die aus einer versenkten Ausgangsstellung durch Federwirkung in eine Riegelstellung ausklappbar sind, in der die Riegelleisten (27) in die Riegelnuten (26) eingreifen.
  13. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Riegelnut (21) der oberen Gruppe (14) der Abstütz- und Riegelglieder (21,22;26,27) eine Eingriffslänge aufweist, die kürzer ist als die der Eingriffsteile (29) der Riegelleisten (27) der unteren Gruppe (16).
  14. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Riegelnuten der unteren Gruppe (16) der Riegelglieder (21,22;26,27) eine Eingriffslänge aufweisen, die größer ist als die der Eingriffsteile (29) der Riegelleisten (27) der unteren Gruppe (16).
  15. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß das drehbar am oberen Hauptteil (13) des Außengehäuses (11) gelagerte untere Endteil (17) des Außengehäuses (11) axial aus einer unteren Ausgangsstellung in eine Bohrbetriebsstellung verschieblich ist, in der die Schneidebene der Bohrkrone (20) gegenüber der des Bohrmeißels (10) aufwärts versetzt ist und den Bohrmeißel (10) im Bereich seiner Seitenschneidfläche umgibt.
  16. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das untere Endteil (17) und das untere Ende (18) des oberen Hauptteils (13) des Außengehäuses (11) eine Lagerhülse (30) umgreifen, die fest mit dem unteren Endteil (17) verbunden und drehbar und axial begrenzt verschieblich im unteren Ende (18) des oberen Hauptteils (13) des Außengehäuses (11) abgestützt ist.
  17. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß das untere Ende (18) des oberen Hauptteils (13) des Außengehäuses (11) eine abgewinkelte Ausrichtung aufweist und die Antriebswelle (9) des Tieflochmotors mit einem flexiblen Abschnitt (39) versehen ist, der dem sich abwärts anschließenden Teil der Antriebswelle (9) eine elastische allseitige Auslenkbarkeit verleiht.
  18. Bohrgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß der flexible Abschnitt (39) der Antriebswelle (9) nahe der Abwinklung gelegen ist.
  19. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß oberhalb des Bohrwerkzeugs (4) eine Längenausgleichs- und Druckvorrichtung (6) angeordnet ist.
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