DE3811370A1 - Bohrkopf mit einstueckig geschmiedetem stabilisator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Bohrköpfe zum Bohren durch Gestein und andere harte Formationen beim Bohren von Ölbohrlöchern, und insbesondere auf Rotationsbohrköpfe mit hängenden Schenkeln, die Schneiden aufweisen, welche an von den Innenseiten der Schenkel nach innen und nach unten verlaufenden Zapfen drehbar befestigt sind.

Bohrköpfe dieser Art sind herkömmlicherweise an einem Bohrgestänge aufgehängt, welches sich von dem an der Oberfläche befindlichen Bohrturm nach unten erstreckt. Üblicherweise wird der Strang des Bohrgestänges vom Bohrturm gedreht und diese Drehbewegung auf den Bohrkopf am Grund des Loches übertragen. In einigen Fällen wird die Drehung des Bohrkopfes durch die Verwendung eines am unteren Ende des Bohrgestänges gerade über dem Bohrkopf befestigten Fluidmotors erzielt. Im einen wie im anderen Fall ist das Bohrgestänge, da es einen kleineren Durchmesser als das zu bohrende Loch aufweist, anfällig für seitliche Vibrationen oder andere Bewegungen, die eine Schrägstellung des Stranges bestimmter Größe hervorrufen, welche in einem bestimmten Maß auf den Bohrkopf selbst übertragen wird. Dies führt zum Kippen des Bohrkopfes, was übermäßigen Druck der unteren Schenkelabschnitte des Bohrkopfes bei dessen Drehung gegen die Formation hervorruft. Diese Erscheinung ist noch kritischer beim Richtungsbohren, bei welchem der Bohrkopf mit außergewöhnlichen Winkelabweichungen gegenüber der Vertikalen ausgerichtet ist. Ursprünglich wurden Bohrköpfe wegen physischer Beschränkungen innerhalb des Bohrloches mit relativ dünnen Schenkelkonstruktionen ausgebildet. Als Ergebnis arbeitete der sich drehende Bohrkopf mit übermäßigen seitlichen Schaukel- oder Kippbewegungen, welche die Lebensdauer des Bohrkopfes in hohem Maße reduzierten, da der untere Abschnitt der Schenkel sich schnell abnutzte und zu einem Abdichtungs- und/oder Lagerdefekt führte.

Stabilisatoren für das Bohrgestänge sind bisher verwendet worden, waren aber oberhalb des Bohrkopfes in einiger Entfernung von diesem angeordnet, so daß immer noch die Möglichkeit für seitliches Bewegen oder Kippen des Bohrkopfes bestand.

Das US-Patent Nr. 36 28 616 beseitigte einige dieser Probleme dadurch, daß eine Stabilisierungseinrichtung direkt am Bohrkopf vorgesehen und dadurch die Notwendigkeit zusätzlichen Gewindeschutzes beseitigt sowie die Kippbewegung des Bohrkopfes stark verringert wurde. Diese Stabilisierungseinrichtung bestand aus harten Metalleinlagen, die direkt an den oberen Abschnitt des Bohrkopfkörpers angeschweißt wurden. Diese Einlagen waren von ausreichender Dicke, um die Lebensdauer des Bohrkopfes in hohem Maße zu verlängern und gleichzeitig den Durchmesser des oberen Bohrkopfkörpers innerhalb der durch die von den Rotationsschneiden beschriebene diametrale Schneidbahn oder Bohrung bestimmten Grenzen zu halten.

Ferner wies diese Art angeschweißter Einlagen-Konstruktion notwendigerweise scharfe Kanten auf, die zu Spannungsrisern am Schenkel führten. Dies ist selbstverständlich unerwünscht, da dadurch die Ermüdungslebensdauer aufgrund der durch das Schweißen am schwächsten Teil des Schenkels hervorgerufenen mechanischen Kerben stark verkürzt wird.

Überdies wurde festgestellt, daß hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Bohrfluids während des Betriebs die angeschweißte Einlage der "Platten"- Ausführung sofort erodieren kann.

Ein anderer Nachteil, der an der Konstruktion gemäß dem ′616′-Patent festgestellt wurde, bestand darin, daß der untere Abschnitt des Ansatzes mit seiner geraden Oberfläche einen Damm bildete, der die nach oben gerichtete Strömung des Bohrfluids (Spültrübe) durch den Bohrloch-Ringspalt hindurch behinderte. Dies verursachte übermäßige Drücke und verstärkte Erosion an den unteren Schenkelabschnitten des Bohrkopfes.

Die im US-Patent Nr. 36 28 616 beschriebene Bohrkopf-Ausführung umfaßte auch eine Mehrzahl von Wolframkarbid-Einsätzen, die auf den Verschleiß-Einlagen befestigt waren. Jedoch neigen diese Einsätze während des Betriebs dazu, Risse zu bekommen und übermäßig zu verschleißen.

Die Erfindung beseitigt die vorerwähnten Nachteile durch Schaffung einer einstückig an den Bohrkopf-Körper angeschmiedeten Stabilisierungseinrichtung. Diese Konstruktion wird dadurch verwirklicht, daß die Stabilisierungs-Ansätze an den Schenkel-Schmiedestücken vorgeformt werden. Der untere Abschnitt jedes Stabilisierungs-Ansatzes ist in Richtung zu seinen Außenseiten abgerundet und dient dazu, mit einem unterhalb des Ansatzes angeordneten zurückgesetzten Teil des Bohrkopf-Körpers zusammenzuwirken, um einen von den untersten Enden des Bohrkopf-Körpers wegführenden Strömungskanal zu bilden.

Ein Hauptvorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß ein metallurgisch fester Bohrkopfkörper geformt ist, der dem Zerbrechen widersteht. Zusätzlich gewinnen die geschmiedeten Ansätze, da sie geschmiedete Teile sind, durch eine Verbesserung der Kornstruktur im Metall eine wesentliche Zunahme der Zähigkeit und der Betriebssicherheit. Bei dieser Konstruktion ist die sehnige Metallstruktur parallel zu den höchsten Spannungen und Stoßbelastungen, die dem Schenkel aufgezwungen werden, ausgerichtet. Durch Ausnutzung des Metallflusses während des Schmiedevorgangs werden höchste mechanische Eigenschaften an den kritisch beanspruchten Abschnitten erzielt.

Eine derartige Konstruktion kann ferner optimal angepaßt werden, um gute Stabilisation zu bieten und gleichzeitig die durch die Strömungskanal-Konstruktion erzeugte Fluidströmung und Entfernung des Bohrkleins zu verbessern.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die geschmiedete Konstruktion einen ohne Schwierigkeiten maschinell bearbeitbaren Vorsprung aufweist, der auf jeden Durchmesser abgedreht werden kann und weniger Arbeitsvorgänge als angeschweißte Schenkel erfordert.

Die vorliegende Erfindung verwendet außerdem polykristalline Diamant-Presslinge, die zur Erzielung höchsten Abriebswiderstandes in die Stabilisierungs-Ansätze eingepreßt sind. Die Einsatz-Gestaltung kann entweder flach oder gerundet und bündig mit der Ansatzoberfläche sein oder sich über diese hinaus erstrecken. Der Vorteil der über den Ansatz überstehenden abgerundeten Einsätze besteht in der Vergrößerung des ringförmigen Raums, der für das Vorbeiströmen des Bohrkleins verfügbar ist. Diese Konstruktion bewirkt weiterhin ein Zweitschneiden des Stichmaßes, so daß die Aufrechterhaltung des Bohrlochdurchmessers unterstützt wird. Überdies wird aufgrund der Verringerung der im Kontakt mit der Wandung des Bohrloches befindlichen Fläche ein geringeres Drehmoment erzeugt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Bohrkopfes,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer der Schenkel des Bohrkopfes entlang den Linien 3 - 3 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des zur Bildung des Schenkels verwendeten Schmiedestückes,

Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des Schenkels,

Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung des erfindungsgemäßen Stabilisierungs-Ansatzes, und

Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des Stabilisierungs-Ansatzes gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Bohrkopf 10 mit einem Körper 12 und einem mit Gewinde versehenen Schaftabschnitt 14, der ausgebildet ist, mit dem unteren Ende des Bohrgestänges durch Verschrauben verbunden zu werden. Schenkel 16 erstrecken sich vom Bohrkopfkörper 12 nach unten. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist jeder Schenkel 16 einen nach innen und nach unten gerichteten Zapfen 18 auf, der zur drehbaren Aufnahme einer mit 20 in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien dargestellten Schneide ausgebildet ist. Die Schneiden 20 sind so ausgerichtet, daß sie eine Kreisbahn beschreiben, deren Außendurchmesser den Stichmaßdurchmesser des Bohrkopfes bildet.

Der untere Teil des Zapfens 18 ist durch eine Rotationsfläche 22 definiert, die in einer Ebene normal zur Längsachse des Zapfens 18 liegt. Die Rotationsfläche 22 und das untere Ende des Schenkels 16 begrenzen einen relativ dünnen, sich verjüngenden unteren Schenkelabschnitt, der allgemein als Hemdschoß (shirttail) bekannt ist. Das radial äußerste Ende des Hemdschoßes 24 erstreckt sich nicht bis zum Außendurchmesser des Bohrkopfes 10, sondern weist einen Abstand zu den Seitenwänden des Bohrloches auf.

Stabilisierungsansätze 30 sind an dem oberen Abschnitt jedes Schenkels 16 ausgebildet und erstrecken sich radial nach außen bis im wesentlichen zum Stichmaßdurchmesser des Bohrkopfes 10. Fig. 3 zeigt ein Schmiedestück 40 eines der Schenkel 16. Das Schmiedestück 40 umfaßt einen Kopfabschnitt 41, einen Zapfenabschnitt 42, einen Hemdschoß-Abschnitt 43 und einen Stabilisierungsabschnitt 44.

Der Zapfenabschnitt 42 ist zur Bildung des Zapfens 18 und der Rotationsfläche 22, wie in Fig. 2 gezeigt, maschinell bearbeitet. Der Hemdschoß-Abschnitt 43 ist ebenfalls maschinell bearbeitet, um zur Bildung des Hemdschoßes 24 etwas Grundmetall (in unterbrochenen Linien gezeigt) des Schmiedestückes (40) zu entfernen. Dies ist deutlicher in Fig. 4 dargestellt.

Das Schmiedestück 40 ist außerdem angedreht, um einen Teil des Stabilisierungsabschnittes 44, wie in unterbrochenen Linien dargestellt, zwecks Ausbildung des Stabilisierungsansatzes 30 durch maschinelle Bearbeitung zu entfernen. Drei derartige Schenkel-Schmiedestücke sind zur Bildung des Steinbohrers zusammengeschweißt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet der untere Abschnitt jedes Stabilisierungsansatzes 30 einen abgerundeten Teil 51, der bogenförmig nach oben verläuft, um sich mit den Seiten 53 des Ansatzes 30 zu vereinigen. Dieser abgerundete Teil 51 wirkt mit einem am Schenkel 16 ausgebildeten zurückgesetzen Teil 55 zur Bildung eines Strömungskanals zusammen, um die Strömung der Spültrübe um den Hemdschoß 24 herum nach oben um den Stabilisierungsansatz 30 herum zu verbessern.

Die Spültrübe (nicht dargestellt) strömt über eine Mehrzahl von durch den Bohrkopf-Körper 12 verlaufenden Öffnungen 60 in das Bohrloch ein.

Die Fig. 1 und 2 zeigen außerdem ein Schmierungssystem mit einem Reservoir 61, in dem eine Druckausgleichseinrichtung 62 angeordnet ist. Die eine Seite der Ausgleichseinrichtung steht mit der Außenseite des Bohrkopfes durch Kanäle 63 in Verbindung, die in einem Verschluß 65 ausgebildet sind. Die andere Seite der Ausgleichseinrichtung 62 ist über Gänge 66 und 67 mit dem Inneren des Lagerhohlraumes verbunden. Schmiermittel (nicht dargestellt) füllt das Reservoir 61, die Gänge 66 und 67 sowie den Lagerhohlraum vollständig aus.

Fig. 4 zeigt deutlicher eine Mehrzahl von Bohrungen 45 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Einsätzen 46. Jeder Einsatz 46 ist vorzugsweise aus polykristallinem Diamant hergestellt und seine Außenfläche kann im wesentlichen eben ausgebildet sein, um bündig mit der Außenfläche des Stabilisierungsansatzes abzuschließen (siehe Fig. 5).

Alternativ kann jeder Einsatz 46 auch abgerundete äußere Vorsprünge 48 aufweisen, die über die Außenfläche des Stabilisierungsansatzes 30 hinausragen (siehe Fig. 6).

Zusätzlich kann jeder Einsatz 46 vollständig aus polykristallinem Diamant bestehen oder andernfalls aus einem Plättchen bestehen, daß an einem aus Wolframkarbid bestehendem Basisteil durch Hartlötung befestigt ist.

Im Betrieb wurde festgestellt, daß einstückig geformte Stabilisierungsansätze 30 viele der an den vorbekannten Konstruktionen festgestellten Nachteile überwunden haben. Außerdem haben die Diamanteinsätze 46 den Verschleiß am Stabilisierungsansatz in hohem Maße reduziert und dadurch die Lebensdauer des Bohrkopfes erheblich verlängert.

Es dürfte sich von selbst verstehen, daß Änderungen in der genauen Form, in Einzelheiten und Proportionen der Konstruktion ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken durchgeführt werden können.

Claims (8)

1. Bohrkopf mit einem Bohrkopfkörper, der einen Hauptkörperabschnitt und eine Mehrzahl von sich von diesem aus nach unten erstreckenden Schenkeln aufweist, wobei das untere Ende jedes Schenkels ein allgemein als Hemdschoß-Abschnitt bekanntes, relativ dünnes, sich verjüngendes äußerstes Ende umfaßt, und mit einer an jedem Schenkel drehbar befestigten Schneide, welche Schneiden bei Drehung des Bohrkopfkörpers eine kreisförmige Schneidbahn definieren, wobei der Außendurchmesser der Schneiden den Außendurchmesser des Bohrkopfes bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörperabschnitt (12) einen einstückig an diesen direkt oberhalb jedes Schenkels (16) angeschmiedeten, sich vom Hauptkörperabschnitt (12) aus radial nach außen bis im wesentlichen zum gleichen Durchmesser wie die kreisförmige Schneidbahn erstreckenden Stabilisierungs-Ansatz (30) und eine entlang den unteren und seitlichen Rändern jedes Ansatzes (30) zurückgesetzte Strömungskanaleinrichtung (51, 55) zur Verbesserung der Fluidströmung um jeden Hemdschoß-Abschnitt (24) herum nach oben um jeden Stabilisierungs-Ansatz (30) herum umfaßt.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (51, 55) durch eine am unteren Abschnitt jedes Stabilisierungs-Ansatzes (30) ausgebildete Kurvenfläche (51) charakterisiert ist.

3. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (51, 55) durch einen am Hauptkörper direkt unterhalb jedes Stabilisierungs-Ansatzes (30) ausgebildeten, radial zurückgesetzten Teil (55) charakterisiert ist.

4. Bohrkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine in der Oberfläche jedes Stabilisierungs-Ansatzes (30) befestigte Mehrzahl von polykristallinen Diamant-Einsätzen (46).

5. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder polykristalline Diamant-Einsatz (46) eine mit der Oberfläche des Stabilisierungs-Ansatzes (30) im wesentlichen gleichverlaufende ebene Auflagerfläche (47) aufweist.

6. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder polykristalline Diamant-Einsatz (46) eine sich über die Oberfläche des Stabilisierungs-Ansatzes (30) hinaus erstreckende abgerundete Auflagerfläche (48) aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Rotationsbohrkopfes nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte des Schmiedens einer Mehrzahl von Elementen (40), die obere Körperabschnitte und untere Fußabschnitte aufweisen, des maschinellen Bearbeitens jedes Elementes (40) zur Bildung eines am unteren Fußabschnitt angeordneten Hemdschoß-Abschnittes (43), des maschinellen Bearbeitens jedes Elementes (40) zur Bildung von Zapfen (18), des Bereitstellens einer Schneide (20) zur drehbaren Befestigung an jedem Zapfen (18), des Ausrichtens und Befestigens der Elemente (40) zur Bildung einer einheitlichen Konstruktion derart, daß die Schneiden (20) einen Außenumfang aufweisen, der den Außendurchmesser des Werkzeuges (10) definiert und die Stabilisierungs- Ansätze (30) sich radial nach außen bis im wesentlich zum gleichen Durchmesser wie die Schneidenumfänge erstrecken.

8. Verfahren zur Herstellung eines Rotationsbohrkopfes nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Schritte des Bohrens einer Mehrzahl von Bohrungen (45) in die Oberfläche jedes Stabilisierungs-Ansatzes (30), und des Anbringens eines polykristallinen Diamant-Einsatzes (46) in jeder Bohrung (45).