DE3423465C1

DE3423465C1 - Vorrichtungen zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen

Info

Publication number: DE3423465C1
Application number: DE19843423465
Authority: DE
Inventors: Rolf 3071 Blenhorst Panzke
Original assignee: Christensen Inc; Norton Christensen Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-06-26
Publication date: 1985-05-02

Description

Um beim Geradeausbohren störende Beeinflussungen durch die ausgelenkte Sektion 10 des Bohrwerkzeugs 2 zu minimieren, wird die Ablenktendenz des Bohrwerkzeugs gerade so bemessen, daß der beim Richtungsbohren gewünschte kleinste Krümmungsradius gerade erreicht werden kann. Die Ablenktendenz kann dabei durch Vorgabe eines entsprechenden Auslenkwinkels a der Zwischensektion 11 erzielt werden, wie es in Fig. 3 in gestrichelter Darstellung 11' und 11" für zwei weitere Winkel veranschaulicht ist, wobei der Fall 11" einer Auslenkung von 0° entspricht, was einer koaxial zur Werkzeughauptachse 8 verlaufenden Ausrichtung der Zwischensektion 11" gleichkommt. Die Zwischensektion 11 wird also als Austauschteil vorgesehen und zweckmäßig wird in der Praxis auch ein Satz von zumindest zwei Austauschteilen vorgehalten, bei denen die Zwischensektionen 11, 11', 11" unterschiedlich stark abgewinkelt sind. Zweckmäßig ist die Austauschbarkeit über Gewindeanschlüsse an den Enden der Zwischensektion 11 gewährleistet, die gegenüber
der Achse der Zwischensektion 11 winkelig angestellt sind, um die passenden Anschlußwinkel zum übrigen Bohrstrang bzw. zu der dem Drehbohrmeißel 13 benachbarten Gehäusesektion 10 sicherzustellen.
Dabei können sich die Zwischensektion 11 bei gleicher Länge lediglich in ihrer Winkelstellung ug unterscheiden, was für eine unveränderte Verwendung der im inneren der Zwischensektion 11 umlaufenden Welle für die Kraftübertragung zwischen dem Rotor des Motors und der Abtriebswelle 12 vorteilhaft ist, sie können sich aber auch grundsätzlich in ihrer Länge unterscheiden und dabei oberseitig und unterseitig mit einheitlichem .Winkel a, ei zur oberen 9 und unteren Gehäusesektion 10 angestellt sein. Auch eine Kombination beider Maßnahmen ist möglich.
Neben der Vorgabe des Auslenkwinkels a der Zwischensektion 11 und deren Länge kann auch der Winkel fi zwischen der unteren Sektion 10 und der Zwischensektion 11 für sich allein oder in Kombination mit mindestens einer der vorgenannten Maßnahmen wählbar ausgeführt werden. Hierzu wird zweckmäßig die Gehäusesektion 10 als Austauschteil ausgebildet, um unterschiedliche Winkel bonder, in Kombination verschiedener Auslenkwinkel a +ß, unterschiedliche Winkel y und ggf. auch unterschiedliche Längen der Gehäusesektion 10 im Anschluß an die Zwischensektion 11 durch Austausch zu erzielen, wobei der Anschluß zur Zwischensektion 11 beispielsweise wieder mit einem winklig angestellten Gewinde zu realisieren ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Ablenktendenz des Bohrwerkzeugs 2 besteht darin, den Abstand der Stabilisatoren 14 und 15 untereinander oder den Abstand zwischen dem Stabilisator 14 und dem Drehbohrmeißel 13 zu verändern. Zur Durchführung dieser Abstandsveränderung ist gemäß F i g. 3 der erste Stabilisator 14 auf der unteren Gehäusesektion 10 verschiebbar und feststellbar angeordnet. Diese Maßnahme ermöglicht sowohl für sich als auch in Kombination mit einer Vorgabe bestimmter Auslenkwinkel und/oder Längen der Zwischensektion 11 oder der unteren Gehäusesektion 10 eine Beeinflussung der Ablenktendenz.
Um den sich bei Verschiebung des Stabilisators 14 auf der unteren Gehäusesektion 10 ändernden Bit-Offset auszugleichen, kann der Stabilisator 14 zusätzlich veränderbar exzentrisch ausgeführt werden, in dem mit zunehmender Entfernung vom Drehbohrmeißel 13 die Exzentrizität des Stabilisators 14 vergrößert wird, wie die gestrichelte Darstellung bei 14' und 14" für zwei weitere Positionen zeigt. Um eine Verschiebung auf der Gehäusesektion zu ermöglichen, kann der Stabilisator 14 z. B.
so ausgeführt sein, wie es in den Fig. 9 und 10 der Hauptanmeldung dargestellt und beschrieben ist.
F i g. 4 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Anordnung der Stabilisatoren 14 und 15, sowie des Drehbohrmeißels 13 einerseits und dem Krümmungsradius der Richtungsbohrung andererseits. Von dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug 2, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind in Fig. 4 nur die Schnittpunkte-S14, S15 und S13 der Gehäuseachsen mit den Mittelquerebenen der Stabilisatoren 14, 15 und des Drehbohrmeißels 13 dargestellt. Den Mittelpunkt des bei dieser Konstellation erzielten Bogens des Bohrlochverlaufs erhält man durch den Schnittpunkt M der Mittelsenkrechten 17;18 auf den jeweiligen Verbindungslinien 19; 20 zwischen den Schnittpunkten S14, S15 der Stabilisatoren 14 und 15 bzw. den Schnittpunkten S14, S13 des Stabilisators 14 und des Drehbohrmeißels 13. Der Krümmungsradius R ergibt sich sodann aus dem Abstand der jeweiligen Schnittpunkte Sol4, S15 und S13 zum Schnittpunkt M der Mittelsenkrechten. Die Verbindungslinien zwischen den Schnittpunkten müssen nicht bei jeder Ausgestaltung mit den Achsen der jeweiligen Gehäusesektionen übereinstimmen. Abschließend werden noch Werte eines praktischen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs nach Fig.3 angegeben. Abstand zwischen S14 und S15 entsprechend der Länge der Strekke 19 :8150 mm. Abstand zwischen S14 und S13 entsprechend Länge der Strecke 20:1155 mm. Winkel y der Sektion 11 zur Werkzeughauptachse 8: 0,6°. Bei dieser Konstellation ergibt sich ein Radius R von 436 m. Der Abstand zwischen S14 und S3 läßt sich von 1155 mm bis auf 1955 mm vergrößern (und der Abstand S4 - Sis verkleinern), um so die Ablenktendenz zu vergrößern und den Krümmungsradius R zu verkleinern (vgl. R', M' und S14 in Fig.4).

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen, bestehend aus einem eine Werkzeughauptachse definierenden Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mehrere Sektionen umfassenden, mit einem Borstrang verbindbaren Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motors verbundene Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster Stabilisator und in einem Abstand über diesem ein zweiter Stabilisator befestigt sind, das Gehäuse zum Geradeausbohren durch Drehen mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung um die Werkzeughauptachse versetzbar und zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, und wobei die dem Drehbohrmeißel benachbarte und die Abtriebswelle lagernde Sektion des Gehäuses bezogen auf die Werkzeughauptachse ausgelenkt ist und diese Sektion mit einer oberen, koaxial zur Werkzeughauptachse ausgerichteten Sektion durch eine entgegengesetzt ausgelenkte Zwischensektion verbunden ist, nach Patent 3417743, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensektion (11) als Austauschteil aus einem Austauschteilsatz für wahlweise zwischen 0" und einem Maximalwinkel vorgebbare Auslenkwinkel (a) ihre Sektionsachse gegenüber der Sektionsachse der oberen Sektion (9) zur Einstellung des Auslenkwinkels (z) der die Antriebswelle (12 lagernden Gehäusesektion (10) gegenüber der Werkzeughauptachse (8) ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensektion-Austauschteile (11, 11', 11") des Austauschteilsatzes Gewindeanschlüsse aufweisen, die in Abhängigkeit vom einzustellenden Auslenkwinkel (z) unterschiedlich winklig zur Sektionsachse angestellt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensektions-Austauschteile (11) zumindest zum Teil untereinander unterschiedliche Längen aufweisen.
4. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen, bestehend aus einem eine Werkzeughauptachse definierenden Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mehrere Sektionen umfassenden, mit einem Bohrstrang verbindbaren Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motors verbundene Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster Stabilisator und in einem Abstand über diesem ein zweiter Stabilisator befestigt sind, das Gehäuse zum Geradeausbohren durch Drehen mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung um die Werkzeughauptachse versetzbar und zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, und wobei die dem Drehbohrmeißel benachbarte und die Abtriebswelle lagernde Sektion des Gehäuses bezogen auf die Werkzeughauptachse ausgelenkt ist und diese Sektion mit einer oberen, koaxial zur Werkzeughauptachse ausgerichteten Sektion durch eine entgegengesetzt ausgelenkte Zwischensektion verbunden ist, nach Patent 34 17 734, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abtriebswelle (12) lagernde Gehäusesektion (10) als Austauschteile zur wahlweisen Vorgabe des Auslenkwinkels (y) der Gehäusesektion (10) gegenüber der Werkzeughauptachse (8) zwischen 0" und einem Maximalwinkel ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusesektion (10) zumindest zur Zwischensektion (11) mit einem in Abhängigkeit vom vorgegebenen Auslenkwinkel (y) winklig angestellten Anschlußgewinde versehen ist.
6. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen, bestehend aus einem eine Werkzeughauptachse definierenden Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mehrere Sektionen umfassenden, mit einem Bohrstrang verbindbaren Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motorssverbundene Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster Stabilisator und in einem Abstand über diesem ein zweiter Stabilisator befestigt sind, das Gehäuse zum Geradeausbohren durch Drehen mittels des Bohrstranges in eine eigene, langsame Umdrehung um die Werkzeughauptachse versetzbar und zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, und wobei die dem Drehbohrmeißel benachbarte und die Abtriebswelle lagernde Sektion des Gehäuses bezogen auf die Werkzeughauptachse ausgelenkt ist und diese Sektion mit einer oberen, koaxial zur Werkzeughauptachse ausgerichteten Sektion durch eine entgegengesetzt ausgelenkte Zwischensektion verbunden ist, nach Patent 34 17 743, dadurch gekennzeichnet; daß die Stabilisatoren (14, 15) in ihrem gegenseitigen Abstand veränderbar auf der Gehäusesektion (10) bzw. einer der weiter oben liegenden Sektionen (9) angeordnet sind.
7. Vorrichtung zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen, bestehend aus einem eine Werkzeughauptachse definierenden Drehbohrwerkzeug mit einem rohrförmigen, mehrere Sektionen umfassenden, mit einem Bohrstrang verbindbaren Gehäuse, in dem ein Tieflochmotor angeordnet und eine mit dem Rotor des Motors verbundene Abtriebswelle gelagert ist, die an ihrem aus dem Gehäuse austretenden unteren Ende einen Drehbohrmeißel trägt, wobei auf dem Gehäuse nahe dem Drehbohrmeißel ein erster Stabilisator und in einem Abstand über diesem ein zweiter Stabilisator befestigt sind, das Gehäuse zum Geradeausbohren durch Drehen mittels des Bohrstrangesin eine eigene, langsame Umdrehung um die Werkzeughauptachse versetzbar und zum Richtungsbohren ausricht- und gegen Drehung festlegbar ist, und wobei die dem Drehbohrmeißel benachbarte und die Abtriebswelle lagernde Sektion des Gehäuses bezogen auf die Werkzeughauptachse ausgelenkt ist und diese Sektion mit einer oberen, koaxial zur Werkzeughauptachse ausgerichtetcn Sektion durch eine entgegengesetzt ausgelenklc Zwischensektion verbunden ist, nach Patent 34 17 743, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Drehbohrmeißel (13) benachbarte Stabilisator (14) in seinem Abstand zum Drehbohrmeißel (13) veränderbar auf der die Abtriebswelle (12) lagernden Gehäusesektion (10) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Stabilisatoren (14, 15) verschiebbar und festsetzbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der dem Drehbohrmeißel (13) benachbarte Stabilisator (14) eine einstellbare Exzentrizität aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität mittels zweier gegenseitig ineinander verdrehbar gelagerter Exzenterscheiben des Stabilisators (14) einstellbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum wahlweisen Geradeaus- oder Richtungsbohren in unterirdische Gesteinsformationen gemäß dem Anspruch 1 des Hauptpatents 34 17 743.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei der die Ablenktendenz des Bohrwerkzeugs einstellbar und so der kleinstmögliche Krümmungsradius des Bohrlochverlaufs in der Betriebsart Richtungsbohren vorgebbar ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe bei einer Vorrichtung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1, 4, 6 und 7 mit den Merkmalen der kennzeichnenden Teile der betreffenden Ansprüche. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2,3,5,8,9 und 10 verwiesen.

Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen läßt sich die Ablenktendenz der Vorrichtung gerade in dem Maße vorgeben, wie es zum Aufbau des kleinsten gewünschten Krümmungsradius der abzulenkenden Bohrung erforderlich ist.

Die Vorgabe einer stärkeren als der erforderlichen Ablenktendenz würde die Reibung zwischen der Bohrlochwand und der mit ihr in Eingriff kommenden Teile des Bohrwerkzeugs erhöhen, was zu einem höheren Verschleiß dieser Teile und zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Antriebsorgane, verbunden mit einem geringerem Bohrfortschritt, führen würde. Mit den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann so eine störende Beeinflussung des Bohrens minimiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt F i g. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung, F i g. 2 eine Prinzipskizze eines Bohrwerkzeugs mit Darstellung der Zwischensektion in verschiedenen Auslenkwinkeln, F i g. 3 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs mit Darstellung des dem Drehbohrmeißel benachbarten Stabilisators in verschiedenen Positionen auf der die Arbeitswelle lagernden Gehäusesektion und Fig.4 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der gegenseitigen Anordnung von Stabilisatoren und Drehbohrmeißel und dem Krümmungsradius des Bohrlochverlaufs.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in einem Bohrloch 1 befindliches Bohrwerkzeug 2, das mittels eines mit seinem Gehäuse 3 verbundenen Bohrstranges 4 in einem Drehtisch 5 eines Borturms eingespannt ist. Der Drehtisch 5 besitzt eine Antriebs- und Blockiervorrichtung 7, mittels der das Spannfutter des Drehtisches 5 und damit der und damit der Bohrstrang 4 in kontinuierliche Umdrehung versetzbar ist oder durch eine begrenzte Drehbewegung ausricht- und anschließend gegen Drehung festlegbar ist.

Die in F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungen des Bohrwerkzeugs 2 besitzen als gemeinsame Merkmale ein Gehäuse 3, das aus einer oberen, konzentrisch zu einer Werkzeughauptachse 8 liegenden Sektion 9, einer unteren, gegenüber der Werkzeughauptachse 8 ausgelenkten Sektion 10 und einer die untere Sektion 10 mit der oberen Sektion 9 verbindenden Zwischensektion 11 besteht. In der Sektion 9 des Gehäuses 3 ist ein nicht näher dargestellter Motor angeordnet, der z. B. als Verdrängungsmotor nach dem Moineau-Prinzip ausgeführt sein kann und dessen Rotor über eine durch die Zwischensektion 11 führende Gelenkwelle und eine in der unteren Gehäusesektion 10 gelagerten Abtriebswelle 12 mit einem Drehbohrmeißel 13 verbunden ist. Auf der unteren Sektion 10 und der oberen Sektion 9 oder kurz darüber befindet sich jeweils ein Stabilisator 14, 15. Der untere Stabilisator sorgt dafür, daß die Achse 16 der unteren Sektion 10, die gleichzeitig die Rotationsachse für die Abtriebswelle 12 und den Drehbohrmeißel 13 bildet, mit der Werkzeughauptachse 8 in der Nähe des Drehbohrmeißels 13 schneidet. Der Stabilisator 15 sorgt dafür, daß er durch die konstruktive Aneinanderfügung der Sektionen 10, 11 und 9 vorgegebene Winkel der Auslenkung der Sektion 10 gegenüber der Werkzeughauptachse 8 eingehalten wird.

Durch die Auslenkung der unteren Gehäusesektion 10 und damit gleichzeitig der Abtriebswelle 12 und des Drehbohrmeißels 13 gegenüber der Werkzeughauptachse 8 wird erreicht, daß das Bohrwerkzeug 2 bei festgehaltenem Gehäuse 3 dem Bohrloch 1 einen in Richtung der Sektions- bzw. Rotationsachse 16 tendierenden Verlauf erteilt. Beim Mitdrehen des Gehäuses 3 läuft die abgewinkelte Rotationsachse 16 mit um, so daß die resultierende Bewegung des Drehbohrmeißels 13 dem Bohrloch 1 einen Verlauf in Richtung der Werkzeughauptachse 8 vorgibt. Ein wahlweises Richtungsbohren oder Geradeausbohren kann so in einfacher Weise durch Festhalten oder Mitdrehen des Gehäuses 3 mittels des im Drehtisch 5 eingespannten Bohrstranges 4 erzielt werden.