WO2020208113A1 - Vorrichtung zum erhöhen eines drucks eines arbeitsfluids für ein bohrsystem - Google Patents

Vorrichtung zum erhöhen eines drucks eines arbeitsfluids für ein bohrsystem Download PDF

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WO2020208113A1
WO2020208113A1 PCT/EP2020/060098 EP2020060098W WO2020208113A1 WO 2020208113 A1 WO2020208113 A1 WO 2020208113A1 EP 2020060098 W EP2020060098 W EP 2020060098W WO 2020208113 A1 WO2020208113 A1 WO 2020208113A1
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WO
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chamber
pressure
working fluid
drive
pressure chamber
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PCT/EP2020/060098
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French (fr)
Inventor
Hans Götz
Stefan Essl
Original Assignee
RED Drilling & Services GmbH
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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
    • E21B23/00—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells
    • E21B23/04—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion
    • E21B23/0416—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion characterised by force amplification arrangements
    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
    • 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
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/10—Valve arrangements in drilling-fluid circulation systems
    • E21B21/103—Down-hole by-pass valve arrangements, i.e. between the inside of the drill string and the annulus
    • 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
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/02—Fluid rotary type drives

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for increasing a pressure of a working fluid for a drilling system for drilling a borehole.
  • intensifiers are used which increase the drilling performance of a drill bit by injecting a high pressure fluid for cutting the hard rock formations in addition to the drilling action of the bit. It is necessary to generate the high pressure fluid efficiently without using excessive energy so that this can increase the overall efficiency of the drilling system. For example, it is possible to increase the high pressure fluid through a piston / cylinder arrangement.
  • Working fluids can be provided for a pipe system.
  • an apparatus for increasing a pressure of a working fluid for a drilling system for drilling a borehole has a tubular housing for mounting in a tubular drill string of the drilling system, a working fluid being able to be provided in the drill string.
  • the device has a piston rod with a first piston end and an opposite second piston end along the longitudinal axis of the housing.
  • the housing forms a first pressure chamber in which the first piston end is present and a second pressure chamber in which the second piston end is present.
  • the first pressure chamber has a first
  • Fluid inlet for the inflow of the working fluid from the drill string and a first fluid outlet which is connected to a high pressure line of the
  • Drilling system can be coupled.
  • the second pressure chamber has a second fluid inlet for the working fluid to flow in from the drill pipe and a second fluid outlet which can be coupled to the high-pressure line.
  • the housing has a drive chamber in which a drive section of the piston rod is present, the drive section being a first
  • the Drive surface and a second opposite along the longitudinal axis Has drive surface.
  • the first drive surface and the second drive surface have a larger pressure application surface than the first piston end and the second piston end.
  • the drive chamber has a first chamber section and a second chamber section which are separated from the drive section of the piston rod.
  • the working fluid can selectively flow into the first chamber section through a first chamber inlet and into the second chamber section through a second chamber inlet such that
  • the working fluid (which can flow in from the surroundings of the housing) rests on the second drive surface and the piston rod can be moved in the direction of the first pressure chamber to increase a pressure in the first pressure chamber and
  • the working fluid (which can flow in from the surroundings of the housing) rests on the first drive surface and the piston rod can be moved in the direction of the second pressure chamber to increase a pressure in the second pressure chamber.
  • the drilling system has a tubular boron string which is installable in the borehole and one described above
  • Drill rod is attached.
  • Pressure chamber move to increase the pressure of the working fluid in the second pressure chamber and the first piston end of the piston rod moved out of the first pressure chamber to let the working fluid from the drill pipe into the first pressure chamber.
  • the drilling system for drilling a borehole has in particular the tubular drill rod, in which various internals for
  • the drilling system has a drill head which has cutting blades, in particular at the bottom of the borehole.
  • a flushing channel is located between an outside of the drill pipe and an inside of the borehole, through which the working fluid is conveyed to the outside (outside of the borehole) together with the rock removed.
  • the pressure of part of the working fluid in the drill rod is increased by means of the device according to the invention.
  • part of the working fluid is withdrawn from the drill pipe and the pressure of the withdrawn part of the working fluid is increased. Subsequently, the part of the extracted working fluid is transferred to a high pressure line
  • the working fluid is the fluid (in particular a liquid) which flows through the drill pipe in the direction of the interior of the borehole.
  • the low-pressure fluid is the fluid that flows out of the borehole between the borehole wall and the drill string.
  • the low pressure fluid is typically rock working fluid which is flushed out of the borehole.
  • the working fluid is at a higher pressure than the low pressure fluid.
  • the drill rod is particularly tubular, with the
  • Drill rods in particular a hollow cylinder with a round or
  • the device according to the invention has a corresponding tubular housing which can be fastened in the drill rod, in particular on the inside of the drill rod.
  • the housing is in particular tubular, the housing in particular having a hollow cylinder with a round or polygonal base.
  • the housing extends along a longitudinal axis (or in particular central axis or line of symmetry of the housing), which runs essentially parallel to the central axis of the drill rod.
  • the housing is designed and arranged in the drill pipe in such a way that the longitudinal axis runs coaxially with the central axis of the drill pipe.
  • the housing is fastened to the drill rod, for example by means of a fastening block or a carrier slide.
  • a fastening block or a carrier slide for example, the
  • Fastening block is not provided extending circumferentially around the housing, so that a sufficiently large channel remains free between the housing and the inside of the drill pipe, through which the working fluid can pass the device within the drill pipe towards the bottom of the borehole.
  • the housing or the device can be detachable Fastening means are releasably attached to the drill pipe accordingly.
  • a piston rod is provided, which is mounted in the housing so that it can be displaced bidirectionally (in particular along the longitudinal axis).
  • a first piston end protrudes into a first pressure chamber of the housing and an opposite, second piston end into a second pressure chamber of the housing.
  • Piston ends are tightly attached to the pressure chamber in such a way that when a piston end moves into a corresponding pressure chamber, the pressure in this pressure chamber is increased. A corresponding effect
  • a piston end defines in particular an end face of the piston rod which has a normal essentially parallel to the longitudinal axis.
  • the first pressure chamber and the second pressure chamber have corresponding first and second fluid inlets through which the working fluid can flow from the drill pipe.
  • a negative pressure arises in the pressure chamber in comparison to the pressure of the working fluid outside the housing or within the drill rod.
  • the working fluid is thus sucked into the pressure chamber through the fluid inlet.
  • the fluid inlets are in particular provided in opposite ends of the housing along the longitudinal axis.
  • the first pressure chamber and the second pressure chamber have corresponding first and second fluid outlets, which are coupled to the high pressure line. Especially if the corresponding piston end is in the corresponding Retracts pressure chamber, the working fluid is printed within the pressure chamber and this printed working fluid from the corresponding one
  • Fluid outlet pressed out.
  • the fluid outlets are provided in particular in opposite ends of the housing along the longitudinal axis.
  • the piston rod is driven hydraulically.
  • the piston rod has a drive section with a first drive surface and a second drive surface lying opposite along the longitudinal axis.
  • the first drive surface and the second drive surface in particular have a normal that runs parallel to the longitudinal axis.
  • the drive section of the piston rod is arranged in a drive chamber of the housing, the drive section dividing the drive chamber into a first chamber section and a second chamber section.
  • the first drive surface is directed towards the first chamber section and the second drive surface is directed towards the second chamber section.
  • Drive surfaces are sealingly coupled to the housing in such a way that when the piston rod is displaced along the longitudinal axis, a volume of the first chamber section and a volume of the second chamber section are changed.
  • the drive surfaces are designed such that when the piston rod is displaced in a first direction, the first drive surface reduces the volume of the first chamber section and at the same time the second drive surface increases the volume of the second chamber section and vice versa.
  • the working fluid from the vicinity of the housing can selectively flow into the first chamber section and the second chamber section via corresponding chamber inlets.
  • Selective means that when the piston rod is moved in the direction of the first pressure chamber, the working fluid flows into the second chamber, and when the piston rod is moved in the direction of the second pressure chamber, the working fluid flows into the first chamber.
  • the pressure of the working fluid which is applied to the drive surface, thus drives the piston rod.
  • the working fluid can thus attack the corresponding pressure application surface of the first drive surface or the second drive surface in order to move the piston rod in the direction of the corresponding pressure chamber and, accordingly, to press the working fluid in the corresponding pressure chamber.
  • the first drive surface and the second drive surface each have a larger pressure application surface than the corresponding pressure application surface of the first piston end or the second piston end.
  • a pressure intensification is thus provided in which, so to speak, a larger part of the working fluid which acts on the drive surfaces presses a smaller part of the working fluid in the respective pressure chamber.
  • the highly pressurized working fluid obtained in this way becomes the
  • the piston rod on its drive section for example, has an area with a larger diameter than a diameter of the piston rod at the piston ends.
  • the drive chamber is formed circumferentially around a lateral surface of the piston rod, the drive section from the lateral surface of the
  • the piston rod protrudes in the direction of the housing (forms a collar section, so to speak) and is coupled to it in a sealing but displaceable manner along the longitudinal axis.
  • End faces of the piston ends form a smaller pressure application area than that
  • High pressure line provided as in each direction of movement of the
  • Piston rod along the longitudinal axis of one of the pressure chambers provides pressurized working fluid.
  • the pressurized working fluid is provided not only in one stroke direction of the piston rod, but in both stroke directions of the piston rod
  • first chamber section through a first chamber outlet and the second chamber section through a second chamber outlet selectively
  • Working fluid can be discharged into the area outside the drill pipe.
  • the corresponding chamber outlets can selectively use the
  • Working fluid in the vicinity of the drill string i.e. flow into the flushing channel between the borehole wall and the drill pipe. Since the low-pressure fluid there has a lower pressure than the working fluid in the drill pipe, the working fluid can flow from the drive chamber into the flushing channel with almost no loss. Selective accordingly means that when the piston rod is moved in the direction of the first pressure chamber, the working fluid is flowed out of the first chamber section and when the piston rod is moved in the direction of the second pressure chamber, the working fluid is flowed out of the second chamber section.
  • the device also has a control element which is arranged displaceably in the drive chamber.
  • the control is designed a) in a first position to open the first chamber inlet and the second chamber outlet and to close the first chamber outlet and the second chamber inlet, and
  • control element can represent, for example, a controllable valve or a valve system made up of a plurality of valves. Accordingly, a fluid flow can be selectively enabled or interrupted at the corresponding chamber inlets and chamber outlets.
  • control element has a cylinder tube which is displaceable along the longitudinal axis.
  • the cylinder tube has openings along the longitudinal axis for the selective coupling of the first chamber section and the second chamber section with the first and second chamber inlets and the first and second chamber outlets.
  • the openings can, for example, have round or oval through bores in the cylinder tube.
  • the openings can be slit-shaped.
  • the cylinder tube separates the drive chambers present on the inside of the cylinder tube from the chamber inlets and chamber outlets present on the outside of the cylinder tube.
  • the cylinder tube can have a closed or an open cross section and thus a kind of gutter-shaped
  • the openings are provided on the cylinder tube in such a way that, depending on the operating state, the desired fluid channels between the corresponding chamber inlets and chamber outlets and the chamber sections of the drive chamber through the openings of the
  • Cylinder tube are provided.
  • control element in particular the cylinder tube, forms the outer wall of the drive chambers.
  • the outer surface of the piston rod can form the inner wall of the drive chambers.
  • the device furthermore has a control device which is set up to control the control element between the first position and the second position.
  • the control device can for example have an electrical, mechanical, hydraulic or pneumatic actuator which is operated by means of a control logic.
  • the actuating drive can exert a driving force on the actuating element in order to move it between the first position and the second position.
  • the device has a first bearing block and a second bearing block, which along the
  • Drive chamber is formed between the first bearing block and the second bearing block.
  • the control blocks form, for example, the end walls along the longitudinal axis of the drive chamber.
  • the control blocks form, for example, the end walls along the longitudinal axis of the drive chamber.
  • Bearing blocks formed.
  • the bearing blocks are tightly coupled to the housing.
  • the piston rod is mounted displaceably at least in the first bearing block and / or the second bearing block.
  • the piston rod can be mounted in the corresponding bearing block by means of a sliding bearing or by means of a ball bearing in order to allow displacement along the longitudinal axis
  • control element is mounted displaceably at least in the first bearing block and / or the second bearing block.
  • control element can be mounted in the corresponding bearing block by means of a slide bearing or by means of a ball bearing in order to allow displacement along the longitudinal axis
  • the piston rod is formed integrally.
  • the piston rod in one
  • Manufacturing step for example by means of casting processes, are produced.
  • the piston rod is designed in several parts.
  • the section having the first piston end, the section having the second piston end and / or the section having the drive section can be manufactured separately from one another and then connected to the other sections.
  • Sections are provided. Furthermore, the individual sections can be releasably attached to one another, for example by means of a
  • Pressure chamber on an inlet valve which opens the first fluid inlet when the internal pressure in the first pressure chamber is less than the pressure of the working fluid.
  • the inlet valve can accordingly be designed to be self-regulating or it can be controlled externally via the control device.
  • at least the first pressure chamber has an outlet valve which opens the first fluid outlet when the internal pressure in the first pressure chamber is greater than the pressure in the high-pressure line. The outlet valve can accordingly
  • control device be designed to be self-regulating or be controlled externally via the control device.
  • the device according to the invention serves as a pressure intensifier with a double-acting synchronous cylinder piston arrangement as an oscillating drive for two high-pressure generators.
  • the piston rod with the piston rod ends led out on both sides is driven in the drive cylinder (i.e. the drive chamber) and at the same time prints the pressure chamber with the piston ends.
  • the drive of the DPI Downhole Pressure Intensifier
  • the piston rod takes place through the mutual differential pressure application of the piston in the synchronizing cylinder (i.e. in the drive chamber).
  • the pressure difference between the (higher) pressure of the mud (working fluid) in the drill pipe and the (lower) pressure in the annular space between the drill pipe and the borehole wall is used.
  • Play channel and the inner channel of the drill rod can take place via a cylinder tube with slots arranged on the circumference in the end areas of the axially displaceable cylinder tube, through which flushing (working fluid) can flow into and out of the drive chamber.
  • the alternating connection of the two chamber sections of the drive chamber is controlled via the lateral openings in the cylinder tube and, for example, in the housing with the two pressure reservoirs inside and outside the drill pipe.
  • the device is fastened in the drill pipe by means of a carrier slide that is screwed to the drill pipe, for example.
  • the carrier carriage can also be used as a connection between the two HD producers
  • Pressure chambers serve on the drive cylinder (drive chamber).
  • drive chamber With a pressure difference between the outer volume outside the drill rod and the inner annulus of 100 bar, a pressure of up to 2500 bar can be generated with the device according to the invention resulting from the area ratios of the piston ends on the one hand and the drive surfaces on the other.
  • an average stroke speed of the piston rod of 0.5 m / s can be achieved, so that the delivery rate of a single device is 4.7 l / min. That may correspond to a hydraulic power of approx. 16 kW.
  • Drill rods are installed so that a delivery rate of high pressure fluid from the pressure chambers of 45 l / min is possible.
  • a device can for example.
  • a device can, for example, take a mud (working fluid) volume flow of approx. 135 l / min and direct it into the space outside the drill rod.
  • Embodiments can be combined with one another in a suitable manner, so that for the person skilled in the art, with the embodiment variants explicitly shown here, a large number of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed. In particular, some embodiments of the invention are included
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the device for increasing a pressure of a working fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the device 100 for increasing a pressure of a working fluid AF for a drilling system 150 for drilling a borehole 160 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 has a tubular housing 120 for attachment in a tubular drill string 151 of the drilling system 150, a working fluid AF being able to be provided in the drill string 151. Furthermore, the
  • Device 100 has a piston rod 110 with a first piston end 111 and a second piston end 112 opposite along the longitudinal axis 101 of the housing 120, the housing 120 having a first pressure chamber 121 forms, in which the first piston end 111 is present, and a second pressure chamber 122, in which the second piston end 112 is present.
  • the first pressure chamber 121 has a first fluid inlet for the inflow of the working fluid from the drill rod 151 and a first fluid outlet which can be coupled to a high pressure line 140 of the drilling system 150.
  • the second pressure chamber 122 accordingly has a second one
  • the housing 120 has a drive chamber 123 in which a
  • Drive section 113 has a first drive surface 114 and a second drive surface 115 opposite along the longitudinal axis 101.
  • the first drive surface 114 and the second drive surface 115 have a larger pressure application surface than the first piston end 111 and the second piston end 112.
  • the drive chamber 123 has a first chamber section 124 and a second chamber section 125, which are separated from the drive section 113 of the piston rod 110.
  • the working fluid AF can selectively flow into the first chamber section 124 through a first chamber inlet 126 and into the second chamber section 125 through a second chamber inlet 127 in such a way that when it flows into the second chamber section 125, the working fluid AF rests against the second drive surface 115 and the piston rod 110 can be moved in the direction of the first pressure chamber 121 to increase a pressure in the first pressure chamber 121 and, when it flows into the first chamber section 124, the working fluid AF rests on the first drive surface 114 and the piston rod 110 in the direction of the second pressure chamber 122 to increase a pressure in the second Pressure chamber 122 is movable.
  • the piston rod 110 is in a central position between the two end positions and moves from right to left in order to apply pressure to the first pressure chamber 121.
  • the drilling system 150 for drilling a borehole 160 has, in particular, the tubular drill rod 151, in which various fixtures are provided for removing rock and conveying it out of the borehole 160.
  • the drilling system 150 has, in particular at the bottom of the borehole 160 160, a drill head which has cutting blades.
  • a pressurized working fluid AF flows into the borehole 160, which flushes the removed rock to the outside.
  • the working fluid AF is typically conveyed in the interior of the drill rod 151 under pressure in the direction of the bottom of the borehole 160.
  • a flushing channel 161 Between an outer side of the drill rod 151 and an inner side of the borehole 160 there is a flushing channel 161, through which the working fluid AF is conveyed to the outside (outside of the borehole 160) together with the rock removed.
  • the pressure of part of the working fluid AF in the drill rod 151 is increased by means of the device 100 according to the invention.
  • a part of the working fluid AF in the drill rod 151 is removed by means of the device 100 and the pressure of the removed part of the working fluid AF is increased. Then the part of the removed
  • a hydraulic drive of the drill head is connected or to which a cutting nozzle, which the printed working fluid AF for
  • the fluid in particular a liquid which flows through the drill rod 151 in the direction of the interior of the borehole is named as the working fluid AF.
  • the fluid which flows out of the borehole 160 between the borehole wall and the drill rod 151 is referred to as the low-pressure fluid ND.
  • the working fluid AF typically has a higher pressure than the low-pressure fluid ND.
  • the drill rod 151 is in particular tubular.
  • the housing 120 is also tubular, the housing 120 in particular having a hollow cylinder with a round or polygonal base.
  • the housing 120 extends along a longitudinal axis 101 (or
  • the housing 120 is designed and arranged in the drill rod 151 in such a way that the longitudinal axis 101 runs coaxially with the central axis of the drill rod 151.
  • the housing 120 is fastened to the drill rod 151 by means of a fastening block 104 or a carrier slide, for example.
  • the fastening block 104 is not provided to extend circumferentially around the housing 120, so that a sufficiently large channel remains free between the housing 120 and the inside of the drill rod 151, through which the working fluid AF passes the device within the drill rod 151 in FIG
  • the housing 120 or the device 100 can be correspondingly releasably fastened to the drill rod 151 with releasable fastening means.
  • Piston rod 110 is provided, which can be displaced bidirectionally
  • a first piston end 111 protrudes into a first pressure chamber 121 of the Housing 120 and an opposite second piston end 112 into a second pressure chamber 122 of the housing 120.
  • Pressure chamber 121, 122 the pressure in this pressure chamber 121, 122 is increased.
  • pulling out or moving out causes a
  • Piston end 111, 112 from a corresponding pressure chamber 121, 122 reduces the pressure in the corresponding pressure chamber 121, 122.
  • a piston end 111, 112 defines in particular an end face of the
  • Piston rod 110 which has a normal substantially parallel to the
  • the first pressure chamber 121 and the second pressure chamber 122 have corresponding first and second fluid inlets 116, 117 through which the working fluid AF from the drill rod 151 can flow in.
  • a negative pressure arises in the pressure chamber 121, 122 compared to the pressure of the working fluid AF outside the housing 120 or inside the drill rod 151 the working fluid AF is sucked into the pressure chamber 121, 122 through the fluid inlet 116, 117.
  • the first pressure chamber 121 and the second pressure chamber 122 have corresponding first and second fluid outlets 118, 119, which are coupled to the high pressure line 140.
  • the working fluid AF is printed within the pressure chamber 121, 122 and this printed working fluid AF is pressed out of the corresponding fluid outlet 118, 119.
  • the piston rod 110 is driven hydraulically in particular.
  • the piston rod 110 has a drive section 113 with a first drive surface 114 and a second drive surface 115 opposite along the longitudinal axis 101.
  • the first drive surface 114 and the second drive surface 115 in particular have a normal that runs parallel to the longitudinal axis 101.
  • Piston rod 110 is arranged in a drive chamber 123 of housing 120, drive section 113 dividing drive chamber 123 into a first chamber section 124 and a second chamber section 125.
  • the first drive surface 114 is directed in the direction of the first chamber section 124 and the second drive surface 115 is in the direction of the second
  • Chamber section 125 directed.
  • the drive surfaces 114, 115 are sealingly coupled to the housing 120 in such a way that when the
  • Piston rod 110 along the longitudinal axis 101 has a volume of the first
  • Chamber section 124 and a volume of the second chamber section 125 can be changed.
  • the drive surfaces 114, 115 are designed such that when the piston rod 110 is displaced in a first direction, the first drive surface 114 reduces the volume of the first chamber section 124 and at the same time the second drive surface 115 increases the volume of the second chamber section 125 and vice versa.
  • the working fluid AF from the surroundings of the housing 120 can selectively flow into the first chamber section 124 and the second chamber section 125 via corresponding chamber inlets 126, 127. Selective means that when the piston rod 110 is moved in the direction of the first
  • the working fluid AF flows into the second pressure chamber 122 and when the piston rod 110 is displaced in the direction of the second pressure chamber 122, the working fluid AF flows into the first pressure chamber 121.
  • the pressure of the working fluid AF which at the
  • Drive surface 114, 115 is applied, thus drives the piston rod 110.
  • the working fluid AF can thus act on the corresponding pressure application surface of the first drive surface 114 or the second drive surface 115 in order to displace the piston rod 110 in the direction of the corresponding
  • the first drive surface 114 and the second drive surface 115 each have a larger pressure application surface than the corresponding pressure application surface of the first piston end 111 and the second piston end 112
  • Pressure intensification is provided in which, so to speak, a larger part of the working fluid AF, which acts on the drive surfaces 114, 115, prints a smaller part of the working fluid AF in the respective pressure chamber 121, 122.
  • the high-pressure working fluid AF obtained in this way becomes the
  • High pressure line 140 supplied for further use.
  • Piston rod 110 at its drive section 113 has an area with a larger diameter d2 than a diameter dl of
  • the drive chamber 123 is formed circumferentially around a lateral surface of the piston rod 110, the drive section 113 protruding from the lateral surface of the piston rod 110 in the direction of the housing 120 (forming a collar section, so to speak) and sealingly but still along with it the longitudinal axis 101 is slidably coupled.
  • the end faces or drive surfaces 114, 115 of the drive section 113 which have a normal parallel to the longitudinal axis 101, thus form a larger pressure application surface than the end faces of the piston ends 111,
  • Chamber outlet 129 the working fluid AF selectively flowed out into the area outside of the drill string 151.
  • the working fluid AF can correspondingly selectively enter the vicinity of the drill rod 151, i.e. via corresponding chamber outlets 128, 129. flow into the flushing channel 161 between borehole wall 160 and drill rod 151. Since the low-pressure fluid ND has a lower pressure there than the working fluid AF in the drill rod 151, the working fluid AF can flow from the drive chamber 123 into the flushing channel 161 with almost no loss.
  • selective means that when the piston rod 110 is moved in the direction of the first pressure chamber 121, the working fluid AF is flown out of the first chamber section 124 and when the piston rod 110 is moved in the direction of the second pressure chamber 122, the working fluid AF is flown out of the second chamber section 124.
  • a cylinder tube 130 as a control element is displaceable in the
  • the cylinder tube 130 is formed with the first chamber inlet 126 and the second in a first position
  • the cylinder tube 130 has openings 133 along the longitudinal axis 101 for the selective coupling of the first chamber section 124 and the second
  • Das Cylinder tube 130 separates in particular the drive chambers 123 present on the inside of the cylinder tube 130 from the chamber inlets 126, 127 and chamber outlets 128, 129 present on the outside of the cylinder tube 130.
  • the openings are provided on the cylinder tube 130 in such a way that the desired fluid channels between the
  • the cylinder tube 130 thus partially forms the lateral surface of the
  • the cylinder tube 130 forms the outer wall of the drive chamber 123.
  • the outer surface of the piston rod 110 can form the inner wall of the drive chamber 123.
  • the device has a first bearing block 131 and a second bearing block 132, which are arranged spaced along the longitudinal axis 101 in the housing 120 such that the drive chamber 123 between the first
  • Bearing block 131 and the second bearing block 132 is formed.
  • Control blocks 131, 132 form the end walls along the longitudinal axis 101 of the drive chamber 123.
  • the drive chamber 123 is thus formed on the outside by the control element (cylinder tube 130), on the inside by the piston rod 110 and laterally by the corresponding bearing blocks 131, 132.
  • the piston rod 110 is mounted displaceably at least in the first bearing block 131 and / or the second bearing block 132.
  • the cylinder tube is mounted displaceably at least in the first bearing block 131 and / or the second bearing block 132.
  • the first pressure chamber 121 and the second pressure chamber 122 each have, for example, an inlet valve 102 which opens the first fluid inlet 116 and the second fluid inlet 118, respectively, when the internal pressure is in the
  • the inlet valve 102 can be designed to self-regulate accordingly or be activated externally via the control device.
  • the pressure chambers 121, 122 each have an outlet valve 103, which opens the first fluid outlet 117, 119 when the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids (AF) für ein Bohrsystem (150) zum Bohren eines Bohrlochs (160). Die Vorrichtung (100) weist ein rohrartiges Gehäuse (120) zum Anbringen in einem rohrartigen Bohrgestänge (151) des Bohrsystems (150), wobei in dem Bohrgestänge (151) ein Arbeitsfluid (AF) bereitstellbar ist, und eine Kolbenstange (110) mit einem ersten Kolbenende (111) und einem entlang der Längsachse (101) des Gehäuses (120) gegenüberliegenden zweiten Kolbenende (112). In einen ersten Kammerabschnitt (124) ist durch einen ersten Kammereingang (126) und in einen zweiten Kammerabschnitt (125) durch einen zweiten Kammereingang (127) selektiv das Arbeitsfluid (AF) derart einströmbar ist, dass bei Einströmen in den zweiten Kammerabschnitt (125) das Arbeitsfluid (AF) an der zweiten Antriebsfläche (115) anliegt und die Kolbenstange (110) in Richtung erste Druckkammer (121) zum Erhöhen eines Drucks in der ersten Druckkammer (121) verfahrbar ist und bei Einströmen in den ersten Kammerabschnitt (124) das Arbeitsfluid (AF) an der ersten Antriebsfläche (114) anliegt und die Kolbenstange (110) in Richtung zweite Druckkammer (122) zum Erhöhen eines Drucks in der zweiten Druckkammer (122) verfahrbar ist.

Description

Vorrichtung zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids für ein Bohrsystem
Das Projekt , das zu dieser Patentanmeldung geführt hat, wurde von dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 641202 finanziert.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids für ein Bohrsystem zum Bohren eines Bohrlochs.
Hintergrund der Erfindung
Um die Bohrleistung eines Bohrmeißels eines Bohrsystems zu erhöhen, werden Druckübersetzer eingesetzt, die die Bohrleistung eines Bohrmeißels erhöhen, indem ein Hochdruckfluid zum Schneiden der harten Gesteinsformationen zusätzlich zu der Bohrwirkung des Bohrers injiziert wird. Dabei ist es notwendig, dass Hochdruckfluid effizient ohne übermäßigen Energieaufwand zu generieren, damit dies die Gesamteffizienz des Bohrsystems erhöhen kann. Beispielsweise ist es möglich, dass Hochdruckfluid durch eine Kolben- /Zylinderanordnung zu erhöhen. Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
bereitzustellen, mittels welcher ein konstanter und hoher Druck eines
Arbeitsfluids für ein Rohrsystem bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung und einem Verfahren zum
Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids für ein Bohrsystem zum Bohren eines Bohrlochs gemäß den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids für ein Bohrsystem zum Bohren eines Bohrlochs bereitgestellt. Die Vorrichtung weist ein rohrartiges Gehäuse zum Anbringen in einem rohrartigen Bohrgestänge des Bohrsystems auf, wobei in dem Bohrgestänge ein Arbeitsfluid bereitstellbar ist.
Ferner weist die Vorrichtung eine Kolbenstange mit einem ersten Kolbenende und einem entlang der Längsachse des Gehäuses gegenüberliegenden zweiten Kolbenende auf. Das Gehäuse bildet eine erste Druckkammer aus, in welcher das erste Kolbenende vorliegt, und eine zweite Druckkammer, in welcher das zweite Kolbenende vorliegt. Die erste Druckkammer weist einen ersten
Fluideingang zum Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge auf und einen ersten Fluidausgang, welcher an einer Hochdruckleitung des
Bohrsystems koppelbar ist. Die zweite Druckkammer weist einen zweiten Fluideingang zum Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge und einen zweiten Fluidausgang auf, welcher an die Hochdruckleitung koppelbar ist.
Das Gehäuse weist eine Antriebskammer auf, in welcher ein Antriebsabschnitt der Kolbenstange vorliegt, wobei der Antriebsabschnitt eine erste
Antriebsfläche und eine entlang der Längsachse gegenüberliegende zweite Antriebsfläche aufweist. Die erste Antriebsfläche und die zweite Antriebsfläche weisen eine größere Druckangriffsfläche auf als das erste Kolbenende und das zweite Kolbenende. Die Antriebskammer weist einen ersten Kammerabschnitt und einen zweiten Kammerabschnitt auf, welche von dem Antriebsabschnitt der Kolbenstange getrennt sind. In den ersten Kammerabschnitt ist durch einen ersten Kammereingang und in den zweiten Kammerabschnitt ist durch einen zweiten Kammereingang das Arbeitsfluid selektiv derart einströmbar, dass
a) bei Einströmen in den zweiten Kammerabschnitt das Arbeitsfluid (welches von der Umgebung des Gehäuses einströmbar ist) an der zweiten Antriebsfläche anliegt und die Kolbenstange in Richtung erste Druckkammer zum Erhöhen eines Drucks in der ersten Druckkammer verfahrbar ist und
b) bei Einströmen in den ersten Kammerabschnitt das Arbeitsfluid (welches von der Umgebung des Gehäuses einströmbar ist) an der ersten Antriebsfläche anliegt und die Kolbenstange in Richtung zweite Druckkammer zum Erhöhen eines Drucks in der zweiten Druckkammer verfahrbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bohrsystem zum Bohren eines
Bohrlochs beschrieben. Das Bohrsystem weist ein rohrartiges Borgestänge auf, welches in dem Bohrloch installierbar ist und eine oben beschriebene
Vorrichtung, wobei das rohrartige Gehäuse der Vorrichtung in dem
Bohrgestänge angebracht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids für ein Bohrsystem zum Bohren eines Bohrlochs mit einer oben beschriebenen Vorrichtung dargestellt. Gemäß dem Verfahren wird
a) das erste Kolbenende der Koppelenstange in die erste Druckkammer zum Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids in der ersten Druckkammer verschoben und gleichzeitiges das zweite Kolbenende der Kolbenstange aus der zweiten Druckkammer herausgefahren zum Einlassen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge in die zweite Druckkammer, und anschließend
b) das zweite Kolbenende der Koppelenstange in die zweite
Druckkammer verfahren zum Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids in der zweiten Druckkammer und das erste Kolbenende der Kolbenstange aus der ersten Druckkammer herausgefahren zum Einlassen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge in die erste Druckkammer.
Das Bohrsystem zum Bohren eines Bohrlochs weist insbesondere das rohrartige Bohrgestänge auf, in welchen verschiedene Einbauten zum
Abtragen und Herausbefördern von Gestein aus dem Bohrloch vorgesehen sind. So weist das Bohrsystem insbesondere am Grund des Bohrlochs einen Bohrkopf auf, welcher Schneidmesser aufweist. Mittels Rotierens des
Bohrkopfs wird Gestein abgetragen. Um das abgetragene Gestein nach außen zu befördern wird ein bedrucktes Arbeitsfluid in das Bohrloch eingeströmt, welches das abgetragene Gestein nach außen spült. Dabei wird das
Arbeitsfluid typischerweise im Inneren des Bohrgestänges unter Druck in Richtung Grund des Bohrlochs befördert. Zwischen einer Außenseite des Bohrgestänge und einer Innenseite des Bohrlochs befindet sich ein Spülkanal, durch welchen das Arbeitsfluid zusammen mit dem abgetragene Gestein nach außen (außerhalb des Bohrlochs) befördert wird.
Um das Rotieren des Bohrkopfes zu unterstützen oder um mittels Hochdruck selbst Gestein abzutragen, wird der Druck eines Teils des Arbeitsfluids in dem Bohrgestänge mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht. Mittels der Vorrichtung wird ein Teil des Arbeitsfluids in dem Bohrgestänge entnommen und der Druck des entnommenen Teils des Arbeitsfluids erhöht. Anschließend wird der Teil des entnommenen Arbeitsfluids einer Hochdruckleitung
zugeführt, an welcher beispielsweise ein hydraulischer Antrieb des Bohrkopfes angeschlossen ist oder an welcher eine Schneiddüse, welche das bedruckte Arbeitsfluid zum Schneiden des Gesteins ausströmt, gekoppelt ist. Als Arbeitsfluid wird vorliegend das Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) genannt, welche durch das Bohrgestänge in Richtung Bohrlochinneren strömt. Als Niederdruckfluid wird vorliegend das Fluid bezeichnet, welches zwischen Bohrlochwand und Bohrgestänge aus dem Bohrloch hinaus strömt. Das Niederdruckfluid ist typischerweise Arbeitsfluid mit Gesteinsmasse, welches aus dem Bohrloch herausgespült wird. Typischerweise weist das Arbeitsfluid einen höheren Druck auf als das Niederdruckfluid.
Das Bohrgestänge ist insbesondere rohrartig ausgebildet, wobei das
Bohrgestänge insbesondere einen Hohlzylinder mit einer runden oder
Polygonen Grundfläche aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein entsprechendes rohrartiges Gehäuse auf, welches in dem Bohrgestänge, insbesondere an der Innenseite des Bohrgestänges, befestigbar ist. Das Gehäuse ist insbesondere rohrartig ausgebildet, wobei das Gehäuse insbesondere einen Hohlzylinder mit einer runden oder mehreckigen Grundfläche aufweist. Das Gehäuse erstreckt sich entlang einer Längsachse (bzw. insbesondere Mittelachse bzw. Symmetrielinie des Gehäuses), welche im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Bohrgestänges verläuft. Das Gehäuse ist insbesondere derart ausgebildet und in dem Bohrgestänge angeordnet, dass die Längsachse koaxial mit der Mittelachse des Bohrgestänges verläuft.
Das Gehäuse ist beispielsweise mittels eines Befestigungsblocks bzw. einer Trägerschlitten an dem Bohrgestänge befestigt. Insbesondere ist der
Befestigungsblock nicht umfänglich um das Gehäuse verlaufend vorgesehen, sodass zwischen dem Gehäuse und der Innenseite des Bohrgestänges ein ausreichend großer Kanal frei bleibt, durch welchen das Arbeitsfluid die Vorrichtung innerhalb des Bohrgestänge in Richtung Grund des Bohrlochs passieren kann. Das Gehäuse bzw. die Vorrichtung kann mit lösbaren Befestigungsmitteln entsprechend lösbar an dem Bohrgestänge befestigt werden.
Zum Bedrucken des Arbeitsfluids in dem Gehäuse ist eine Kolbenstange vorgesehen, welche bidirektional verschiebbar (insbesondere entlang der Längsachse) in dem Gehäuse gelagert ist. Dabei ragt ein erstes Kolbenende in eine erste Druckkammer des Gehäuses und ein gegenüberliegendes zweites Kolbenende in eine zweite Druckkammer des Gehäuses hinein. Die
Kolbenenden sind dabei derart dichtend an der Druckkammer befestigt, dass bei Einfahren eines Kolbenendes in eine entsprechende Druckkammer der Druck in dieser Druckkammer erhöht wird. Entsprechend bewirkt ein
Herausziehen bzw. Herausfahren eines Kolbenendes aus einer entsprechenden Druckkammer eine Reduzierung des Drucks in der entsprechenden
Druckkammer.
Ein Kolbenende definiert insbesondere eine Stirnfläche der Kolbenstange, welche eine Normale im Wesentlichen parallel zur Längsachse aufweist.
Die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer weisen entsprechende erste und zweite Fluideingänge auf, durch welche das Arbeitsfluid aus dem Bohrgestänge einströmen kann. Insbesondere, wenn das entsprechende Kolbenende aus der entsprechenden Druckkammer hinaus gezogen wird, entsteht ein Unterdrück in der Druckkammer im Vergleich zu dem Druck des Arbeitsfluids außerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Bohrgestänges.
Somit wird durch den Fluideingang das Arbeitsfluid in die Druckkammer eingesaugt. Die Fluideingänge sind insbesondere in, entlang der Längsachse gegenüberliegenden Enden des Gehäuses vorgesehen.
Die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer weisen entsprechende erste und zweite Fluidausgänge auf, welche an die Hochdruckleitung gekoppelt sind. Insbesondere, wenn das entsprechende Kolbenende in die entsprechende Druckkammer einfährt, wird das Arbeitsfluid innerhalb der Druckkammer bedruckt und dieses bedruckte Arbeitsfluid aus dem entsprechenden
Fluidausgang hinausgepresst. Die Fluidausgänge sind insbesondere in, entlang der Längsachse gegenüberliegenden Enden des Gehäuses vorgesehen.
Die Kolbenstange wird insbesondere hydraulisch angetrieben. Entsprechend weist die Kolbenstange einen Antriebsabschnitt mit einer ersten Antriebsfläche und eine entlang der Längsachse gegenüberliegende zweite Antriebsfläche auf. Die erste Antriebsfläche und die zweite Antriebsfläche weisen insbesondere eine Normale auf, die parallel zu der Längsachse verläuft. Der
Antriebsabschnitt der Kolbenstange ist in einer Antriebskammer des Gehäuses angeordnet, wobei der Antriebsabschnitt die Antriebskammer in einen ersten Kammerabschnitt und einen zweiten Kammerabschnitt aufteilt. Die erste Antriebsfläche ist in Richtung erster Kammerabschnitt gerichtet und die zweite Antriebsfläche ist in Richtung zweiter Kammerabschnitt gerichtet. Die
Antriebsflächen sind derart dichtend an dem Gehäuse gekoppelt, dass bei Verschieben der Kolbenstange entlang der Längsachse ein Volumen des ersten Kammerabschnitts und ein Volumen des zweiten Kammerabschnitts verändert werden. Insbesondere sind die Antriebsflächen derart ausgebildet, dass bei Verschieben der Kolbenstange in eine erste Richtung die erste Antriebsfläche das Volumen des ersten Kammerabschnitts reduziert und gleichzeitig die zweite Antriebsfläche das Volumen des zweiten Kammerabschnitts vergrößert und umgekehrt.
In dem ersten Kammerabschnitt und den zweiten Kammerabschnitt kann über entsprechende Kammereingänge selektiv das Arbeitsfluid aus der Umgebung des Gehäuses eingeströmt werden. Selektiv bedeutet, dass bei Verschieben der Kolbenstange in Richtung erste Druckkammer das Arbeitsfluid in die zweite Kammer eingeströmt wird und bei Verschieben der Kolbenstange in Richtung zweite Druckkammer das Arbeitsfluid in die erste Kammer eingeströmt wird. Der Druck des Arbeitsfluids, welches an der Antriebsfläche anliegt, treibt somit die Kolbenstange an.
Das Arbeitsfluid kann somit an der entsprechenden Druckangriffsfläche der ersten Antriebsfläche bzw. der zweiten Antriebsfläche angreifen, um ein Verschieben der Kolbenstange in Richtung der entsprechenden Druckkammer und entsprechend ein Bedrucken des Arbeitsfluids in der entsprechenden Druckkammer zu bewirken. Hierzu weist die erste Antriebsfläche und die zweite Antriebsfläche jeweils eine größere Druckangriffsfläche auf als die entsprechende Druckangriffsfläche des ersten Kolbenendes bzw. des zweiten Kolbenendes. Somit wird eine Druckübersetzung bereitgestellt, bei welcher sozusagen ein größerer Teil des Arbeitsfluids, welcher an den Antriebsflächen angreift, einen kleineren Teil des Arbeitsfluids in der jeweiligen Druckkammer bedruckt. Das so gewonnene hochbedruckte Arbeitsfluid wird der
Hochdruckleitung zur Weiterverwendung zugeführt.
Um die Druckangriffsfläche der Antriebsflächen größer als die
Druckangriffsflächen der Kolbenenden zu gestalten, weist die Kolbenstange an ihrem Antriebsabschnitt beispielsweise einen Bereich mit einem größeren Durchmesser auf, als ein Durchmesser der Kolbenstange an den Kolbenenden. Die Antriebskammer ist umlaufend um eine Mantelfläche die Kolbenstange ausgebildet, wobei der Antriebsabschnitt von der Mantelfläche der
Kolbenstange in Richtung Gehäuse ragt (sozusagen einen Kragenabschnitt bildet) und mit diesem dichtend aber dennoch entlang der Längsachse verschiebbar gekoppelt ist. Die Stirnflächen bzw. Antriebsflächen des
Antriebsabschnitts 113, welche eine Normale parallel zur Längsachse aufweisen, bilden somit eine größere Druckangriffsfläche aus, als die
Stirnflächen der Kolbenenden. Mit anderen Worten, die Stirnflächen der Kolbenenden bilden eine kleinere Druckangriffsfläche aus, als die
Druckangriffsfläche der Antriebsflächen. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine effiziente Bedruckung des
Arbeitsfluids bereitgestellt, da zur Erhöhung eines Drucks in einer
Hochdruckleitung das vorhandene Arbeitsfluid in dem Bohrgestänge verwendet wird. Gleichzeitig wird konstant ein bedrucktes Arbeitsfluid für die
Hochdruckleitung bereitgestellt, da in jeder Bewegungsrichtung der
Kolbenstange entlang der Längsachse eine der Druckkammern bedrucktes Arbeitsfluid bereitstellt. Somit erfolgt nicht nur in einer Hubrichtung der Kolbenstange die Bereitstellung des bedruckten Arbeitsfluides sondern in beide Hubrichtungen der Kolbenstange
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist aus dem ersten Kammerabschnitt durch einen ersten Kammerausgang und aus dem zweiten Kammerabschnitt durch einen zweiten Kammerausgang selektiv das
Arbeitsfluid in den Bereich außerhalb des Bohrgestänges ausströmbar.
Aus dem ersten Kammerabschnitt und aus dem zweiten Kammerabschnitt kann über entsprechende Kammerausgänge entsprechend selektiv das
Arbeitsfluid in die Umgebung des Bohrgestänges, d.h. in den Spülkanal zwischen Bohrlochwand und Bohrgestänge eingeströmt werden. Da dort das Niederdruckfluid einen niedrigeren Druck als das Arbeitsfluid im Bohrgestänge aufweist, kann nahezu verlustfrei das Arbeitsfluid aus der Antriebskammer in den Spülkanal eingeströmt werden. Selektiv bedeutet entsprechend, dass bei Verschieben der Kolbenstange in Richtung erste Druckkammer das Arbeitsfluid aus dem ersten Kammerabschnitt ausgeströmt wird und bei Verschieben der Kolbenstange in Richtung zweite Druckkammer das Arbeitsfluid aus dem zweiten Kammerabschnitt ausgeströmt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner ein Steuerelement auf, welches verschiebbar in der Antriebskammer angeordnet ist. Das Steuerelement ist ausgebildet, a) in einer ersten Position den ersten Kammereingang und den zweiten Kammerausgang zu öffnen und den ersten Kammerausgang und den zweiten Kammereingang zu schließen, und
b) in einer zweiten Position den ersten Kammereingang und den zweiten Kammerausgang zu schließen und den ersten Kammerausgang und den zweiten Kammereingang zu öffnen. In einer beispielhaften Ausführung kann das Steuerelement beispielsweise ein steuerbares Ventil oder ein Ventilsystem aus mehreren Ventilen darstellen. Entsprechend kann an den entsprechenden Kammereingängen und Kammerausgängen selektiv ein Fluidstrom ermöglicht werden oder unterbrochen werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Steuerelement ein Zylinderrohr, welches entlang der Längsachse verschiebbar ist. Das
Zylinderrohr weist entlang der Längsachse Öffnungen auf zur selektiven Kopplung der ersten Kammerabschnitts und des zweiten Kammerabschnitts mit den ersten und zweiten Kammereingängen und den ersten und zweiten Kammerausgängen. Die Öffnungen können beispielsweise runde oder ovale Durchgangsbohrungen in dem Zylinderrohr aufweisen. Beispielsweise können die Öffnungen schlitzförmige ausgebildet sein. Das Zylinderrohr trennt insbesondere die innenseitig am Zylinderrohr vorliegenden Antriebskammern von den außenseitig am Zylinderrohr vorliegenden Kammereingängen und Kammerausgängen. Das Zylinderrohr kann einen geschlossenen oder einen offenen Querschnitt aufweisen und somit ein Art dachrinnenförmige
Ausbildung aufweisen. Die Öffnungen sind dabei derart am Zylinderrohr vorgesehen, dass je nach Betriebszustand die gewünschten Fluidkanäle zwischen den entsprechenden Kammereingängen und Kammerausgängen und den Kammerabschnitten der Antriebskammer durch die Öffnungen des
Zylinderrohr bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bildet das
Steuerelement zumindest teilweise die Mantelfläche der Antriebskammer aus. Mit anderen Worten bildet das Steuerelement, insbesondere das Zylinderrohr, die Außenwand der Antriebskammern. Innenliegend kann beispielsweise die Außenfläche der Kolbenstange die Innenwand der Antriebskammern bilden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung fernereine Steuervorrichtung auf, welche eingerichtet ist, das Steuerelement zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu steuern. Die
Steuervorrichtung kann beispielsweise einen elektrischen, mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Stellantrieb aufweisen, welche mittels einer Steuerlogik betrieben wird. Der Stellantrieb kann eine Antriebskraft auf das Stellelement ausüben, um dieses zwischen der ersten Position unter zweiten Position zu verschieben.
Gemäß einer alten beispielhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen ersten Lagerblock und einen zweiten Lagerblock, welche entlang der
Längsachse beabstandet im Gehäuse derart angeordnet sind, dass die
Antriebskammer zwischen dem ersten Lagerblock und dem zweiten Lagerblock ausgebildet ist. Die Steuerblöcke bilden beispielsweise die Stirnwände entlang der Längsachse der Antriebskammer. Beispielsweise wird somit die
Antriebskammer außenseitig von dem Steuerelement (Zylinderrohr), innenseitig von der Kolbenstange und seitlich von den entsprechenden
Lagerblöcken gebildet. Die Lagerblöcke sind dicht sind mit dem Gehäuse gekoppelt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Kolbenstange zumindest in dem ersten Lagerblock und/oder dem zweiten Lagerblock verschiebbar gelagert. Beispielsweise kann die Kolbenstange mittels eines Gleitlagers oder mittels eines Kugellagers in dem entsprechenden Lagerblock gelagert werden, um eine Verschiebung entlang der Längsachse zu
ermöglichen. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Steuerelement zumindest in dem ersten Lagerblock und/oder dem zweiten Lagerblock verschiebbar gelagert ist. Beispielsweise kann das Steuerelement mittels eines Gleitlagers oder mittels eines Kugellagers in dem entsprechenden Lagerblock gelagert werden, um eine Verschiebung entlang der Längsachse zu
ermöglichen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Kolbenstange integral ausgebildet. Beispielsweise kann die Kolbenstange in einem
Fertigungsschritt, beispielsweise mittels Gießverfahren, hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Kolbenstange mehrteilig ausgebildet. Beispielsweise kann der Abschnitt aufweisend das erste Kolbenende, der Abschnitt aufweisend das zweite Kolbenende und/oder der Abschnitt aufweisend den Antriebsabschnitt getrennt voneinander gefertigt werden und anschließend mit den anderen Abschnitten verbunden werden. Beispielsweise kann eine Schweißverbindung zwischen den einzelnen
Abschnitten vorgesehen werden. Ferner können die einzelnen Abschnitte lösbar miteinander befestigt werden, beispielsweise mittels einer
Schraubverbindung oder einer Klemmverbindung. Somit können defekte Abschnitte einzeln getauscht werden, ohne die gesamte Kolbenstange auszutauschen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die erste
Druckkammer ein Einlassventil auf, welches den ersten Fluideingang öffnet, wenn der Innendruck in der ersten Druckkammer kleiner ist als der Druck des Arbeitsfluids. Das Einlassventil kann entsprechend selbstregelnd ausgebildet sein oder extern über die Steuervorrichtung angesteuert werden. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist zumindest die erste Druckkammer ein Auslassventil auf, welches den ersten Fluidausgang öffnet, wenn der Innendruck in der ersten Druckkammer größer ist als der Druck in der Hochdruckleitung. Das Auslassventil kann entsprechend
selbstregelnd ausgebildet sein oder extern über die Steuervorrichtung angesteuert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (sog. Downhole Pressure Intensifier (DPI)) dient als Druckübersetzer mit einer doppeltwirkenden Gleichlauf-Zylinder- Kolbenanordnung als oszillierender Antrieb für zwei Hochdruck-Erzeuger. Die Kolbenstange mit den beidseitig herausgeführten Kolbenstangenenden wird im Antriebszylinders (d. h. der Antriebskammer) angetrieben und bedruckt zugleich mit den Kolbenenden die Druckkammer. Der Antrieb der
Kolbenstange erfolgt durch die wechselseitige Differenzdruck-Beaufschlagung des Kolbens im Gleichlauf- Zylinder (d. h. in der Antriebskammer). Ausgenutzt wird dabei die Druckdifferenz zwischen dem (höherem) Druck der Spülung (Arbeitsfluid) im Bohrgestänge und dem (niedrigerem) Druck im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand. Die Verbindung der
Antriebskammer mit den entsprechenden Druckreservoirs (d. h. dem
Spielkanal und den inneren Kanal des Bohrgestänge) kann dabei über ein Zylinderrohr mit am Umfang angeordnete Schlitze in den Endbereichen des axial verschiebbaren Zylinderrohres erfolgen, durch die Spülung (Arbeitsfluid) in die Antriebskammer ein- bzw. ausströmen kann.
Mit der axialen Stellung des Zylinderrohres wird die wechselnde Verbindung der beiden Kammerabschnitte der der Antriebskammer über die seitlichen Öffnungen in dem Zylinderrohr und beispielsweise in dem Gehäuse mit den zwei Druckreservoirs innerhalb und außerhalb des Bohrgestänges gesteuert.
Befestigt wird die Vorrichtung im Bohrgestänge über einen Trägerschlitten, der mit dem Bohrgestänge beispielsweise verschraubt wird. Der Trägerschlitten kann gleichzeitig auch noch als Anbindung der beiden HD-Erzeuger
(Druckkammern) an den Antriebszylinder (Antriebskammer) dienen. Bei einem Druckdifferenz zwischen dem äußeren Volumen außerhalb des Bohrgestänges und dem Inneren Ringraum von 100 bar kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung resultierend aus den Flächenverhältnissen der Kolbenenden einerseits und den Antriebsflächen andererseits, ein Druck bis zu 2500 bar erzeugt werden. Beispielsweise kann eine mittlere Hubgeschwindigkeit der Kolbenstange von 0,5 m/s realisiert werden, sodass die Förderleistung einer einzelnen Vorrichtung 4,7 l/min beträgt. Das mag einer hydraulischen Leistung von ca. 16 kW entsprechen.
Ferner ist es möglich, eine Vielzahl von Vorrichtungen in einem Bohrgestänge vorzusehen. So können beispielsweise 10 Vorrichtungen in einem
Bohrgestänge eingebaut werden, sodass eine Fördermenge von Hochdruckfluid aus den Druckkammern von 45 l/min möglich ist. Eine Vorrichtung kann beispielsweise. Eine Vorrichtung kann beispielsweise einen Spülungs- (Arbeitsfluid)-Volumenstrom von ca. 135 l/min entnehmen und in den Raum außerhalb des Bohrgestänges leiten.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner
Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit
Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten in der unterschiedlichen Figur sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids AF für ein Bohrsystem 150 zum Bohren eines Bohrlochs 160 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 100 weist ein rohrartiges Gehäuse 120 zum Anbringen in einem rohrartigen Bohrgestänge 151 des Bohrsystems 150 auf, wobei in dem Bohrgestänge 151 ein Arbeitsfluid AF bereitstellbar ist. Ferner weist die
Vorrichtung 100 eine Kolbenstange 110 mit einem ersten Kolbenende 111 und einem entlang der Längsachse 101 des Gehäuses 120 gegenüberliegenden zweiten Kolbenende 112 auf, wobei das Gehäuse 120 eine erste Druckkammer 121 ausbildet, in welcher das erste Kolbenende 111 vorliegt, und eine zweite Druckkammer 122, in welcher das zweite Kolbenende 112 vorliegt.
Die erste Druckkammer 121 weist einen ersten Fluideingang zum Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge 151 und einen ersten Fluidausgang auf, welcher an einer Hochdruckleitung 140 des Bohrsystems 150 koppelbar ist. Entsprechend weist die zweite Druckkammer 122 einen zweiten
Fluideingang zum Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge 151 und einen zweiten Fluidausgang auf, welcher an die Hochdruckleitung 140 koppelbar ist.
Das Gehäuse 120 weist eine Antriebskammer 123 auf, in welcher ein
Antriebsabschnitt 113 der Kolbenstange 110 vorliegt, wobei der
Antriebsabschnitt 113 eine erste Antriebsfläche 114 und eine entlang der Längsachse 101 gegenüberliegende zweite Antriebsfläche 115 aufweist. Die erste Antriebsfläche 114 und die zweite Antriebsfläche 115 weisen eine größere Druckangriffsfläche auf als das erste Kolbenende 111 und das zweite Kolbenende 112.
Die Antriebskammer 123 weist einen ersten Kammerabschnitt 124 und einen zweiten Kammerabschnitt 125 auf, welche von dem Antriebsabschnitt 113 der Kolbenstange 110 getrennt sind. In den ersten Kammerabschnitt 124 ist durch einen ersten Kammereingang 126 und in den zweiten Kammerabschnitt 125 ist durch einen zweiten Kammereingang 127 selektiv das Arbeitsfluid AF derart einströmbar, dass bei Einströmen in den zweiten Kammerabschnitt 125 das Arbeitsfluid AF an der zweiten Antriebsfläche 115 anliegt und die Kolbenstange 110 in Richtung erste Druckkammer 121 zum Erhöhen eines Drucks in der ersten Druckkammer 121 verfahrbar ist und bei Einströmen in den ersten Kammerabschnitt 124 das Arbeitsfluid AF an der ersten Antriebsfläche 114 anliegt und die Kolbenstange 110 in Richtung zweite Druckkammer 122 zum Erhöhen eines Drucks in der zweiten Druckkammer 122 verfahrbar ist. In Fig. 1 befindet sich die Kolbenstange 110 in einer Mittelstellung zwischen den beiden Endlagen und bewegt sich von rechts nach links zur Bedruckung der ersten Druckkammer 121.
Das Bohrsystem 150 zum Bohren eines Bohrlochs 160 weist insbesondere das rohrartige Bohrgestänge 151 auf, in welchen verschiedene Einbauten zum Abtragen und Herausbefördern von Gestein aus dem Bohrloch 160 vorgesehen ist. So weist das Bohrsystem 150 insbesondere am Grund des Bohrlochs 160 160 einen Bohrkopf auf, welcher Schneidmesser aufweist. Um das
abgetragene Gestein nach außen zu befördern wird ein bedrucktes Arbeitsfluid AF in das Bohrloch 160 eingeströmt, welches das abgetragene Gestein nach außen spült. Dabei wird das Arbeitsfluid AF typischerweise im Inneren des Bohrgestänges 151 unter Druck in Richtung Grund des Bohrlochs 160 befördert. Zwischen einer Außenseite des Bohrgestänges 151 und einer Innenseite des Bohrlochs 160 befindet sich ein Spülkanal 161, durch welchen das Arbeitsfluid AF zusammen mit dem abgetragene Gestein nach außen (außerhalb des Bohrlochs 160) befördert wird.
Um das Rotieren des Bohrkopfes zu unterstützen oder um mittels Hochdruck selbst Gestein abzutragen, wird der Druck eines Teils des Arbeitsfluids AF in dem Bohrgestänge 151 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 erhöht. Mittels der Vorrichtung 100 wird ein Teil des Arbeitsfluids AF in dem Bohrgestänge 151 entnommen und der Druck des entnommenen Teils des Arbeitsfluids AF erhöht. Anschließend wird der Teil des entnommenen
Arbeitsfluids AF einer Hochdruckleitung 140 zugeführt, an welcher
beispielsweise ein hydraulischer Antrieb des Bohrkopfes angeschlossen ist oder an welcher eine Schneiddüse, welche das bedruckte Arbeitsfluid AF zum
Schneiden des Gesteins ausströmt, gekoppelt ist. Als Arbeitsfluid AF wird vorliegend das Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) genannt, welche durch das Bohrgestänge 151 in Richtung Bohrlochinneren strömt. Als Niederdruckfluid ND wird vorliegend das Fluid bezeichnet, welches zwischen Bohrlochwand und Bohrgestänge 151 aus dem Bohrloch 160 hinaus strömt. Typischerweise weist das Arbeitsfluid AF einen höheren Druck auf als das Niederdruckfluid ND.
Das Bohrgestänge 151 ist insbesondere rohrartig ausgebildet. Das Gehäuse 120 ist ebenfalls rohrartig ausgebildet, wobei das Gehäuse 120 insbesondere einen Hohlzylinder mit einer runden oder mehreckigen Grundfläche aufweist. Das Gehäuse 120 erstreckt sich entlang einer Längsachse 101 (bzw.
insbesondere Mittelachse bzw. Symmetrielinie des Gehäuses 120), welche im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Bohrgestänges 151 verläuft. Das Gehäuse 120 ist insbesondere derart ausgebildet und in dem Bohrgestänge 151 angeordnet, dass die Längsachse 101 koaxial mit der Mittelachse des Bohrgestänges 151 verläuft.
Das Gehäuse 120 ist beispielsweise mittels eines Befestigungsblocks 104 bzw. einer Trägerschlitten an dem Bohrgestänge 151 befestigt. Insbesondere ist der Befestigungsblock 104 nicht umfänglich um das Gehäuse 120 verlaufend vorgesehen, sodass zwischen dem Gehäuse 120 und der Innenseite des Bohrgestänges 151 ein ausreichend großer Kanal frei bleibt, durch welchen das Arbeitsfluid AF die Vorrichtung innerhalb des Bohrgestänge 151 in
Richtung Grund des Bohrlochs 160 passieren kann. Das Gehäuse 120 bzw. die Vorrichtung 100 kann mit lösbaren Befestigungsmitteln entsprechend lösbar an dem Bohrgestänge 151 befestigt werden.
Zum Bedrucken des Arbeitsfluids AF in dem Gehäuse 120 ist eine
Kolbenstange 110 vorgesehen, welche bidirektional verschiebbar
(insbesondere entlang der Längsachse 101) in dem Gehäuse 120 gelagert ist. Dabei ragt ein erstes Kolbenende 111 in eine erste Druckkammer 121 des Gehäuses 120 und ein gegenüberliegendes zweites Kolbenende 112 in eine zweite Druckkammer 122 des Gehäuses 120 hinein. Die Kolbenenden 111,
112 sind dabei derart dichtend an der Druckkammer 121, 122 befestigt, dass bei Einfahren eines Kolbenendes 111, 112 in eine entsprechende
Druckkammer 121, 122 der Druck in dieser Druckkammer 121, 122 erhöht wird. Entsprechend bewirkt ein Herausziehen bzw. Herausfahren eines
Kolbenendes 111, 112 aus einer entsprechenden Druckkammer 121 ,122 eine Reduzierung des Drucks in der entsprechenden Druckkammer 121, 122.
Ein Kolbenende 111, 112 definiert insbesondere eine Stirnfläche der
Kolbenstange 110, welche eine Normale im Wesentlichen parallel zur
Längsachse 101 aufweist.
Die erste Druckkammer 121 und die zweite Druckkammer 122 weisen entsprechende erste und zweite Fluideingänge 116, 117 auf, durch welche das Arbeitsfluid AF aus dem Bohrgestänge 151 einströmen kann. Insbesondere, wenn das entsprechende Kolbenende 111, 112 aus der entsprechenden Druckkammer 121, 122 hinaus gezogen wird, entsteht ein Unterdrück in der Druckkammer 121, 122 im Vergleich zu dem Druck des Arbeitsfluids AF außerhalb des Gehäuses 120 bzw. innerhalb des Bohrgestänges 151. Somit wird durch den Fluideingang 116, 117 das Arbeitsfluid AF in die Druckkammer 121, 122 eingesaugt.
Die erste Druckkammer 121 und die zweite Druckkammer 122 weisen entsprechende erste und zweite Fluidausgänge 118, 119 auf, welche an die Hochdruckleitung 140 gekoppelt sind. Insbesondere, wenn das entsprechende Kolbenende 111, 112 in die entsprechende Druckkammer 121, 122 einfährt, wird das Arbeitsfluid AF innerhalb der Druckkammer 121, 122 bedruckt und dieses bedruckte Arbeitsfluid AF aus dem entsprechenden Fluidausgang 118, 119 hinausgepresst. Die Kolbenstange 110 wird insbesondere hydraulisch angetrieben.
Entsprechend weist die Kolbenstange 110 einen Antriebsabschnitt 113 mit einer ersten Antriebsfläche 114 und eine entlang der Längsachse 101 gegenüberliegende zweite Antriebsfläche 115 auf. Die erste Antriebsfläche 114 und die zweite Antriebsfläche 115 weisen insbesondere eine Normale auf, die parallel zu der Längsachse 101 verläuft. Der Antriebsabschnitt 113 der
Kolbenstange 110 ist in einer Antriebskammer 123 des Gehäuses 120 angeordnet, wobei der Antriebsabschnitt 113 die Antriebskammer 123 in einen ersten Kammerabschnitt 124 und einen zweiten Kammerabschnitt 125 aufteilt. Die erste Antriebsfläche 114 ist in Richtung erster Kammerabschnitt 124 gerichtet und die zweite Antriebsfläche 115 ist in Richtung zweiter
Kammerabschnitt 125 gerichtet. Die Antriebsflächen 114, 115 sind derart dichtend an dem Gehäuse 120 gekoppelt, dass bei Verschieben der
Kolbenstange 110 entlang der Längsachse 101 ein Volumen des ersten
Kammerabschnitts 124 und ein Volumen des zweiten Kammerabschnitts 125 verändert werden. Insbesondere sind die Antriebsflächen 114, 115 derart ausgebildet, dass bei Verschieben der Kolbenstange 110 in eine erste Richtung die erste Antriebsfläche 114 das Volumen des ersten Kammerabschnitts 124 reduziert und gleichzeitig die zweite Antriebsfläche 115 das Volumen des zweiten Kammerabschnitts 125 vergrößert und umgekehrt.
In dem ersten Kammerabschnitt 124 und den zweiten Kammerabschnitt 125 kann über entsprechende Kammereingänge 126, 127 selektiv das Arbeitsfluid AF aus der Umgebung des Gehäuses 120 eingeströmt werden. Selektiv bedeutet, dass bei Verschieben der Kolbenstange 110 in Richtung erste
Druckkammer 121 das Arbeitsfluid AF in die zweite Druckkammer 122 eingeströmt wird und bei Verschieben der Kolbenstange 110 in Richtung zweite Druckkammer 122 das Arbeitsfluid AF in die erste Druckkammer 121 eingeströmt wird. Der Druck des Arbeitsfluids AF, welches an der
Antriebsfläche 114, 115 anliegt, treibt somit die Kolbenstange 110 an. Das Arbeitsfluid AF kann somit an der entsprechenden Druckangriffsfläche der ersten Antriebsfläche 114 bzw. der zweiten Antriebsfläche 115 angreifen, um ein Verschieben der Kolbenstange 110 in Richtung der entsprechenden
Druckkammer und entsprechend ein Bedrucken des Arbeitsfluids AF in der entsprechenden Druckkammer 121, 122 zu bewirken. Hierzu weist die erste Antriebsfläche 114 und die zweite Antriebsfläche 115 jeweils eine größere Druckangriffsfläche auf als die entsprechende Druckangriffsfläche des ersten Kolbenendes 111 bzw. des zweiten Kolbenendes 112. Somit wird eine
Druckübersetzung bereitgestellt, bei welcher sozusagen ein größerer Teil des Arbeitsfluids AF, welcher an den Antriebsflächen 114, 115 angreift, einen kleineren Teil des Arbeitsfluids AF in der jeweiligen Druckkammer 121, 122 bedruckt. Das so gewonnene hochbedruckte Arbeitsfluid AF wird der
Hochdruckleitung 140 zur Weiterverwendung zugeführt.
Um die Druckangriffsfläche der Antriebsflächen 114, 115 größer als die
Druckangriffsflächen der Kolbenenden 111, 112 zu gestalten, weist die
Kolbenstange 110 an ihrem Antriebsabschnitt 113 beispielsweise einen Bereich mit einem größeren Durchmesser d2 auf, als ein Durchmesser dl der
Kolbenstange 110 an den Kolbenenden 111, 112. Die Antriebskammer 123 ist umlaufend um eine Mantelfläche die Kolbenstange 110 ausgebildet, wobei der Antriebsabschnitt 113 von der Mantelfläche der Kolbenstange 110 in Richtung Gehäuse 120 ragt (sozusagen einen Kragenabschnitt bildet) und mit diesem dichtend aber dennoch entlang der Längsachse 101 verschiebbar gekoppelt ist. Die Stirnflächen bzw. Antriebsflächen 114, 115 des Antriebsabschnitts 113, welche eine Normale parallel zur Längsachse 101 aufweisen, bilden somit eine größere Druckangriffsfläche aus, als die Stirnflächen der Kolbenenden 111,
112. Mit anderen Worten, die Stirnflächen der Kolbenenden 111, 112 bilden eine kleinere Druckangriffsfläche aus, als die Druckangriffsfläche der
Antriebsflächen 114, 115. Aus dem ersten Kammerabschnitt 124 durch einen ersten Kammerausgang 128 und aus dem zweiten Kammerabschnitt 125 durch einen zweiten
Kammerausgang 129 selektiv das Arbeitsfluid AF in den Bereich außerhalb des Bohrgestänges 151 ausgeströmt.
Aus dem ersten Kammerabschnitt 124 und aus dem zweiten Kammerabschnitt 125 kann über entsprechende Kammerausgänge 128, 129 entsprechend selektiv das Arbeitsfluid AF in die Umgebung des Bohrgestänges 151, d.h. in den Spülkanal 161 zwischen Bohrlochwand 160 und Bohrgestänge 151 eingeströmt werden. Da dort das Niederdruckfluid ND einen niedrigeren Druck als das Arbeitsfluid AF im Bohrgestänge 151 aufweist, kann nahezu verlustfrei das Arbeitsfluid AF aus der Antriebskammer 123 in den Spülkanal 161 eingeströmt werden. Selektiv bedeutet entsprechend, dass bei Verschieben der Kolbenstange 110 in Richtung erste Druckkammer 121 das Arbeitsfluid AF aus dem ersten Kammerabschnitt 124 ausgeströmt wird und bei Verschieben der Kolbenstange 110 in Richtung zweite Druckkammer 122 das Arbeitsfluid AF aus dem zweiten Kammerabschnitt 124 ausgeströmt wird.
Ein Zylinderrohr 130 als Steuerelement ist verschiebbar in der
Antriebskammer 123 angeordnet. Das Zylinderrohr 130 ist ausgebildet, in einer ersten Position den ersten Kammereingang 126 und den zweiten
Kammerausgang 129 zu öffnen und den ersten Kammerausgang 128 und den zweiten Kammereingang 127 zu schließen, und in einer zweiten Position den ersten Kammereingang 126 und den zweiten Kammerausgang 129 zu schließen und den ersten Kammerausgang 128 und den zweiten
Kammereingang 127 zu öffnen.
Das Zylinderrohr 130 weist entlang der Längsachse 101 Öffnungen 133 auf zur selektiven Kopplung der ersten Kammerabschnitts 124 und des zweiten
Kammerabschnitts 125 mit den ersten und zweiten Kammereingängen 126,
127 und den ersten und zweiten Kammerausgängen 128, 129. Das Zylinderrohr 130 trennt insbesondere die innenseitig am Zylinderrohr 130 vorliegenden Antriebskammern 123 von den außenseitig am Zylinderrohr 130 vorliegenden Kammereingängen 126, 127 und Kammerausgängen 128, 129. Die Öffnungen sind dabei derart am Zylinderrohr 130 vorgesehen, dass je nach Betriebszustand die gewünschten Fluidkanäle zwischen den
entsprechenden Kammereingängen 126, 127 und Kammerausgängen 128, 129 und den Kammerabschnitten 124, 125 der Antriebskammer 123 durch die Öffnungen 133 des Zylinderrohrs 130 bereitgestellt werden.
Das Zylinderrohr 130 bildet somit teilweise die Mantelfläche der
Antriebskammer 123 aus. Mit anderen Worten bildet das Zylinderrohr 130, die Außenwand der Antriebskammer 123. Innenliegend kann beispielsweise die Außenfläche der Kolbenstange 110 die Innenwand der Antriebskammer 123 bilden.
Die Vorrichtung einen ersten Lagerblock 131 und einen zweiten Lagerblock 132, welche entlang der Längsachse 101 beabstandet im Gehäuse 120 derart angeordnet sind, dass die Antriebskammer 123 zwischen dem ersten
Lagerblock 131 und dem zweiten Lagerblock 132 ausgebildet ist. Die
Steuerblöcke 131, 132 bilden beispielsweise die Stirnwände entlang der Längsachse 101 der Antriebskammer 123. Beispielsweise wird somit die Antriebskammer 123 außenseitig von dem Steuerelement (Zylinderrohr 130), innenseitig von der Kolbenstange 110 und seitlich von den entsprechenden Lagerblöcken 131, 132 gebildet.
Die Kolbenstange 110 ist zumindest in dem ersten Lagerblock 131 und/oder dem zweiten Lagerblock 132 verschiebbar gelagert. Das Zylinderrohr ist zumindest in dem ersten Lagerblock 131 und/oder dem zweiten Lagerblock 132 verschiebbar gelagert ist. Die erste Druckkammer 121 und die zweite Druckkammer 122 weisen z.B. jeweils ein Einlassventil 102 auf, welches den ersten Fluideingang 116 bzw. den zweiten Fluideingang 118 öffnet, wenn der Innendruck in der
entsprechenden Druckkammer 121, 122 kleiner ist als der Druck des
Arbeitsfluids AF. Das Einlassventil 102 kann entsprechend selbstregeln ausgebildet sein oder extern über die Steuervorrichtung angesteuert werden.
Die Druckkammern 121, 122 weisen entsprechend jeweils ein Auslassventil 103 auf, welches den ersten Fluidausgang 117, 119 öffnet, wenn der
Innendruck in der entsprechenden Druckkammer 121, 122 größer ist als der Druck in der Hochdruckleitung 140. Das Auslassventil 103 kann entsprechend selbstregelnd ausgebildet sein oder extern über die Steuervorrichtung angesteuert werden. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben
beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezuaszeichenliste:
100 Vorrichtung 130 Zylinderrohr
101 Längsachse 131 erster Lagerblock
102 Einlassventil 132 zweiter Lagerblock
103 Auslassventil 133 Öffnung
104 Befestigungsblock
140 Hochdruckleitung
110 Kolbenstange 150 Bohrsystem
111 erstes Kolbenende 151 Bohrgestänge
112 zweites Kolbenende 160 Bohrloch
113 Antriebsabschnitt 161 Spülkanal
114 erste Antriebsfläche
115 zweite Antriebsfläche AF Arbeitsfluid
116 erster Fluideingang ND Niederdruckfluid
117 erster Fluidausgang
118 zweiter Fluideingang dl Durchmesser Kolbenende
119 zweiter Fluidausgang d2 Durchmesser Antriebsabschnitt
120 Gehäuse
121 erste Druckkammer
122 zweite Druckkammer
123 Antriebskammer
124 erster Kammerabschnitt
125 zweiter Kammerabschnitt
126 erster Kammereingang
127 zweiter Kammereingang
128 erster Kammerausgang
129 zweiter Kammerausgang

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (100) zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids (AF) für ein Bohrsystem (150) zum Bohren eines Bohrlochs (160), die Vorrichtung (100) aufweisend
ein rohrartiges Gehäuse (120) zum Anbringen in einem rohrartigen Bohrgestänge (151) des Bohrsystems (150), wobei in dem Bohrgestänge (151) ein Arbeitsfluid (AF) bereitstellbar ist,
eine Kolbenstange (110) mit einem ersten Kolbenende (111) und einem entlang der Längsachse (101) des Gehäuses (120) gegenüberliegenden zweiten Kolbenende (112),
wobei das Gehäuse (120) eine erste Druckkammer (121) ausbildet, in welcher das erste Kolbenende (111) vorliegt, und eine zweite Druckkammer (122), in welcher das zweite Kolbenende (112) vorliegt,
wobei die erste Druckkammer (121) einen ersten Fluideingang zum
Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge (151) aufweist und einen ersten Fluidausgang, welcher an einer Hochdruckleitung (140) des
Bohrsystems (150) koppelbar ist,
wobei die zweite Druckkammer (122) einen zweiten Fluideingang zum
Einströmen des Arbeitsfluids aus dem Bohrgestänge (151) aufweist und einen zweiten Fluidausgang, welcher an die Hochdruckleitung (140) koppelbar ist, wobei das Gehäuse (120) eine Antriebskammer (123) aufweist, in welcher ein Antriebsabschnitt (113) der Kolbenstange (110) vorliegt,
wobei der Antriebsabschnitt (113) eine erste Antriebsfläche (114) und eine entlang der Längsachse (101) gegenüberliegende zweite Antriebsfläche (115) aufweist,
wobei die erste Antriebsfläche (114) und die zweite Antriebsfläche (115) eine größere Druckangriffsfläche aufweisen als das erste Kolbenende (111) und das zweite Kolbenende (112), wobei die Antriebskammer (123) einen ersten Kammerabschnitt (124) und einen zweiten Kammerabschnitt (125) aufweist, welche von dem
Antriebsabschnitt (113) der Kolbenstange (110) getrennt sind,
wobei in den ersten Kammerabschnitt (124) durch einen ersten
Kammereingang (126) und in den zweiten Kammerabschnitt (125) durch einen zweiten Kammereingang (127) selektiv das Arbeitsfluid (AF) derart einströmbar ist, dass bei Einströmen in den zweiten Kammerabschnitt (125) das Arbeitsfluid (AF) an der zweiten Antriebsfläche (115) anliegt und die Kolbenstange (110) in Richtung erste Druckkammer (121) zum Erhöhen eines Drucks in der ersten Druckkammer (121) verfahrbar ist und bei Einströmen in den ersten Kammerabschnitt (124) das Arbeitsfluid (AF) an der ersten
Antriebsfläche (114) anliegt und die Kolbenstange (110) in Richtung zweite Druckkammer (122) zum Erhöhen eines Drucks in der zweiten Druckkammer (122) verfahrbar ist.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1,
wobei aus dem ersten Kammerabschnitt (124) durch einen ersten
Kammerausgang (128) und aus dem zweiten Kammerabschnitt (125) durch einen zweiten Kammerausgang (129) selektiv das Arbeitsfluid (AF) in den Bereich außerhalb des Bohrgestänges (151) ausströmbar ist.
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend
ein Steuerelement, welches verschiebbar in der Antriebskammer (123) angeordnet ist,
wobei das Steuerelement ausgebildet ist,
in einer ersten Position den ersten Kammereingang (126) und den zweiten Kammerausgang (129) zu öffnen und den ersten Kammerausgang (128) und den zweiten Kammereingang (127) zu schließen, und
in einer zweiten Position den ersten Kammereingang (126) und den zweiten Kammerausgang (129) zu schließen und den ersten Kammerausgang (128) und den zweiten Kammereingang (127) zu öffnen. 4. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3,
wobei das Steuerelement ein Zylinderrohr (130) aufweist, welches entlang der Längsachse (101) verschiebbar ist,
wobei das Zylinderrohr (130) entlang der Längsachse (101) Öffnungen (133) aufweist zur selektiven Kopplung des ersten Kammerabschnitts (124) und des zweiten Kammerabschnitts (125) mit den ersten und zweiten
Kammereingängen (126, 127) und den ersten und zweiten Kammerausgängen (128, 129).
5. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3 oder 4,
wobei das Steuerelement zumindest teilweise die Mantelfläche der
Antriebskammer (123) ausbildet.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner aufweisend
eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, das Steuerelement zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu steuern.
7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner aufweisend
einen ersten Lagerblock (131) und einen zweiten Lagerblock (132), welche entlang der Längsachse (101) beabstandet im Gehäuse (120) derart angeordnet sind, dass die Antriebskammer (123) zwischen dem ersten
Lagerblock (131) und dem zweiten Lagerblock (132) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7,
wobei die Kolbenstange (110) zumindest in dem ersten Lagerblock (131) und/oder dem zweiten Lagerblock (132) verschiebbar gelagert ist.
9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Steuerelement zumindest in dem ersten Lagerblock (131) und/oder dem zweiten Lagerblock (132) verschiebbar gelagert ist.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Kolbenstange (110) integral ausgebildet ist.
11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Kolbenstange (110) mehrteilig ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
wobei zumindest die erste Druckkammer (121) ein Einlassventil (102) aufweist, welches den ersten Fluideingang öffnet, wenn der Innendruck in der ersten Druckkammer (121) kleiner ist als der Druck des Arbeitsfluids.
13. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei zumindest die erste Druckkammer (121) ein Auslassventil (103) aufweist, welches den ersten Fluidausgang öffnet, wenn der Innendruck in der ersten Druckkammer (121) größer ist als der Druck in der Hochdruckleitung (140).
14. Bohrsystem (150) zum Bohren eines Bohrlochs (160), das Bohrsystem (150) aufweisend
ein rohrartiges Borgestänge, welches in dem Bohrloch (160) installierbar ist,
eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei das rohrartige Gehäuse (120) der Vorrichtung (100) in dem
Bohrgestänge (151) angebracht ist.
15. Verfahren zum Erhöhen eines Drucks eines Arbeitsfluids (AF) für ein Bohrsystem (150) zum Bohren eines Bohrlochs (160) mit einer Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das Verfahren aufweisend Verschieben des ersten Kolbenendes (111) der Koppelenstange in die erste Druckkammer (121) zum Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids (AF) in der ersten Druckkammer (121) und gleichzeitiges Herausfahren des zweiten Kolbenendes (112) der Kolbenstange (110) aus der zweiten Druckkammer (122) zum Einlassen des Arbeitsfluids (AF) aus dem Bohrgestänge (151) in die zweite Druckkammer (122), und anschließend
Verschieben des zweiten Kolbenendes (112) der Koppelenstange in die zweite Druckkammer (122) zum Erhöhen des Drucks des Arbeitsfluids (AF) in der zweiten Druckkammer (122) und gleichzeitiges Herausfahren des ersten Kolbenendes (111) der Kolbenstange (110) aus der ersten Druckkammer
(121) zum Einlassen des Arbeitsfluids (AF) aus dem Bohrgestänge (151) in die erste Druckkammer (121).
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