DE3939245A1 - Vorrichtung und verfahren zum einbringen von bohrloechern in erdformationen - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zum einbringen von bohrloechern in erdformationenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ein
bringen von Bohrlöchern in Erdformationen und hierbei im beson
deren einen Bohrkopf, der in besonderem Maße zur Durchführung
des Bohrverfahrens geeignet ist.
Bei modernen Verfahren zum Einbringen von Bohrlöchern in Erd
formationen zur Förderung von Öl und/oder Gas sowie zur Nützung
geothermischer Energie werden typischerweise Rotationsbohrtech
niken eingesetzt. Beim Rotationsbohren wird ein Bohrloch erzeugt,
indem man einen rohrförmigen Bohrstrang in Rotation versetzt,
an dessen unterem Ende ein Bohrkopf gehalten ist. Bei fort
schreitender Bohrung werden zusätzliche Rohrelemente an den
Bohrstrang angesetzt, um das Bohrloch zu vertiefen. Während
des Bohrvorganges wird ein unter Druck stehendes Fluid konti
nuierlich in den Bohrstrang injiziert. Dieses Fluid dringt
durch eine oder mehrere Düsen, die im Bohrkopf vorgesehen sind,
in das Bohrloch ein und kehrt über den ringförmigen Kanal
zwischen dem Bohrstrang und den Wänden des Bohrloches zurück.
Das Bohrfluid trägt die Gesteinsbrocken und die Trübe aus dem
Bohrloch heraus und dient gleichzeitig zum Kühlen und Schmieren
des Bohrkopfes.
Ein Grundtyp für einen Gesteinsbohrer ist ein sich drehender
Bohrkopf. Einige dieser Bohrköpfe tragen Stahlkanten oder ge
härtete Schneidflächen, wobei jedoch primär ein Hauptkörper
vorgesehen ist, in dessen äußerer Oberfläche extrem harte
Schneidelemente eingebettet sind. Diese Schneidelemente be
stehen typischerweise aus natürlichem oder synthetischem Diamant.
Während der Bohrkopf gedreht wird, streichen die Schneidelemente
am Boden und den Seiten des Bohrloches entlang, um das Gestein
herauszuschneiden.
Bei einem anderen Grundtyp eines rotierenden Bohrers handelt
es sich um Rollenmeißel, wobei die Rollenzähne derart am Bohr
kopf gelagert sind, daß sie sich drehen, während der Bohrkopf
selbst gedreht wird. Die Winkel der Kegel und Lagerstifte, an
denen sie gehalten sind, sind derart ausgerichtet, daß der Kegel
im wesentlichen am Boden des Bohrloches abrollt, und zwar mit
einem kontrollierten Schlupf. Bei einem Typ eines solchen Rollen
meißels ist ein einstückiger Körper aus gehärtetem Stahl vorge
sehen, auf dessen Umfang Zähne ausgebildet sind. Bei einem an
deren Typ ist ein Stahlkörper vorgesehen mit einer Mehrzahl
aus Einsätzen aus Wolframkarbid oder einem ähnlichen Material
hoher Härte, die aus der Oberfläche in der Art von Zähnen heraus
ragen. Während die Rollenmeißel auf dem Boden des zu bohrenden
Loches abrollen, üben die Zähne bzw. die Karbideinsätze einen
hohen Druck auf das Gestein aus und brechen es auf. Die Schneid
wirkung eines Rollenmeißels ist typischerweise eine Kombination
von Zermahlen, Ausschneiden und Kratzen. Die Trübe oder das
Bohrklein von einem Rollenmeißeleinsatz ist typischerweise
ein Gemisch mäßig großer Brocken und feiner Partikel.
Beim Bohren des Gesteins mit einem Kegelrollenmeißel ist die
Brechwirkung auf die Belastung der Zähne durch das Gesteinsbett
begrenzt aufgrund der Gesteinsmatrix, die das Bohrloch umgibt.
Ein Nachgeben des Gesteins wird in einem starken Ausmaß ver
hindert durch die Bewegungseinschränkung, die sich aus dem um
gebenden Gestein ergibt. Dementsprechend ist es bei Bohrvor
gängen üblich, daß kleine Risse in dem Gestein erzeugt werden,
die zur Oberfläche des Bohrlochbodens zurückkehren, so daß
kleine Bröckchen erzeugt werden statt eines tiefen Eindringens
in das Gestein selbst. Dementsprechend neigt ein Bohrzahn eines
üblichen Bohrkopfes, der auf die Gesteinsoberfläche drückt, dazu,
kleine Risse zu erzeugen, die sich nach unten fortpflanzen, wo
bei jedoch aufgrund des Widerstandes gegenüber einem Bruch, der
durch die umgebende Gesteinsmatrix ausgeübt wird, ein Riß dem
Weg des geringsten Widerstandes folgt und an der Oberfläche des
Bodens des Bohrloches austritt, so daß kleine Brocken gebildet
werden.
Die US-PS 30 55 434 (Edwards) beschreibt eine Kombination von
Drehmeißel- und Kegelrollenmeißel, wobei die seitliche Zwangs
führung auf einen zu bohrenden Kern aufgehoben wird. Die Dreh
meißel-Komponente schneidet eine einzelne ringförmige Kerbung
aus, die einen Kern bildet, der innerhalb eines hohlen Körper
elementes aufgenommen wird und dort von einem Mehrkegelrollen
meißel zermahlen wird, der sich innerhalb des hohlen Körper
elementes befindet. Angrenzend an den Mehrkegelrollenmeißel sind
Fenster vorgesehen, um die Trübe und das Bohrklein, die durch
die Zerstörung des Kernes gebildet werden, abzuführen. Dieser
Bohrkopfaufbau führt jedoch zu einer rapiden Abnutzung und einem
Versagen des Drehbohrers, da das Bohrfluid durch die Fenster
austritt, was zu einem unzureichenden Fluidstrom führt, der
die Drehbohr-Komponente kühlt.
Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen
von Bohrlöchern in Erdformationen zur Verfügung zu stellen, die
durch den Einsatz eines Bohrkopfes in der Lage sind, das Gestein
rasch und wirkungsvoll zu zerkleinern. Das Bohrklein bzw. die
Trübe soll problemlos aus dem Bohrloch abzuführen sein unter
gleichzeitiger Kühlung der Schneidelemente. Schließlich soll
sich die Bohrgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren
und Vorrichtungen merklich verbessern lassen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kenn
zeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsicht
lich bevorzugter Ausgestaltungen auf die Merkmale der Unteran
sprüche verwiesen wird.
Gemäß der Erfindung lassen sich konzentrische ringförmige Ausker
bungen am Bohrlochboden ausbilden, wodurch sich die Bohrgeschwin
digkeit beträchtlich erhöht. Der Bohrkopf umfaßt die folgenden
grundlegenden Merkmale: Einen Bohrkopfkörper mit einem unteren
Ende, an welchem eine ringförmige Bohrkrone ausgebildet ist; ein
inneres Bohrelement, das sich konzentrisch innerhalb des Bohr
kopfkörpers befindet mit einem unteren Ende, an welchem eine
ringförmige Bohrkrone ausgebildet ist; eine erste Mehrzahl von
Rotationsbohrelementen, die zwischen dem Bohrkopfkörper und dem
inneren Bohrelement angeordnet sind, wobei die tiefsten Schneid
kanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der ringförmigen Bohr
elemente des Bohrkopfkörpers und des inneren Bohrelementes an
geordnet sind, sowie eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrele
menten, die derart innerhalb des inneren Bohrelementes gehalten
sind, daß sich die tiefste Schneidkante oberhalb der tiefsten
Schneidkante der ringförmigen Bohrkrone des inneren Bohrelementes
befindet. Bei einer Drehung des Bohrkopfes schneiden die ring
förmigen Bohrkronen des Bohrkopfkörpers konzentrische ringförmige
Ausnehmungen vor den Rotationsbohrelementen aus. Die Rotations
bohrelemente zerbrechen dann das Material, das sich zwischen und
innerhalb der ringförmigen Ausnehmungen befindet, rasch und führen
dies ab, und zwar in einer wirkungsvollen Weise, da das Material
zwischen den Auskerbungen seitlich nicht länger abgestützt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt
der Bohrkopf am unteren Ende des Bohrkopfkörpers ein inneres
Bohrelement, das als ringförmige kerbschneidende Bohrkrone aus
gebildet ist mit einer im wesentlichen sägezahnförmigen Ausge
staltung, eine Mehrzahl von Schneidplatten, deren Schneidkanten
mit Diamanten besetzt sind, sowie Auslaßdurchlässe jeweils
zwischen benachbarten Kronenzähnen. Drei im Abstand voneinander
angeordnete Schneidrollen sind zwischen dem Bohrkopfkörper und
dem inneren Schneidelement angeordnet. Drei im Abstand vonein
ander angeordnete Kegelrollenmeißel befinden sich innerhalb
des inneren Bohrelementes.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und erfindungswesentliche Merkmale
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Bohrkopfes,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 3,
Fig. 3 eine Endansicht des in Fig. 1 dargestellten Bohrkopfes,
Fig. 4 die Draufsicht auf das in Fig. 5 dargestellte Profil
entlang der Schnittlinie 4-4 unter Darstellung der
inneren und äußeren ringförmigen Ausnehmungen, die durch
den erfindungsgemäßen Bohrkopf eingebracht wurden,
Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Bodenbereich eines Bohr
lochs, das durch den erfindungsgemäßen Bohrkopf einge
bracht wurde,
Fig. 6 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der
ringförmigen Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und des inne
ren Bohrelementes,
Fig. 7 eine Seitenteilansicht einer anderen Ausführungsform
der ringförmigen Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und
des inneren Bohrelementes,
Fig. 8 einen Vertikalschnitt entlang der Schnittlinie 8-8 der
Fig. 9 einer weiteren Ausführungsform der ringförmigen
Bohrkrone des Bohrkopfkörpers und des inneren Bohrelementes,
Fig. 9 eine Endansicht der ringförmigen Bohrkrone gemäß der
Fig. 8 unter Wiedergabe anderer Ausführungsformen der
Rotationsbohrelemente und
Fig. 10 eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Er
findung unter Darstellung mehrerer Ringausnehmungs
schneidelemente.
Diese Zeichnungen sollen in keiner Weise die Erfindung einschrän
ken, sondern lediglich verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
gemäß der Erfindung erläutern.
Der in Fig. 1 wiedergegebene Bohrkopf 10 umfaßt die folgenden
Elemente: Einen Bohrkopfkörper 12, an dessen unterem Ende eine
ringförmige Bohrkrone 16 zum Ausschneiden einer äußeren ring
förmigen Ausnehmung ausgebildet ist; ein inneres Bohrelement 24,
das sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers 12 befindet
und ebenfalls an seinem unteren Ende eine ringförmige Bohrkrone
26 zum Ausschneiden einer inneren ringförmigen Auskerbung trägt;
Rotationsbohrelemente 28, die zwischen dem Bohrkopfkörper 12
und dem inneren Bohrelement 24 derart angeordnet sind, daß ihre
tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten
der Bohrkronen 16 und 26 befinden, um das Material zwischen der
äußeren und der inneren kreisförmigen Auskerbung herauszunehmen,
sowie Rotationsbohrelemente 32, die innerhalb des inneren Bohr
elementes 24 derart angeordnet sind, daß sich die tiefsten Schneid
kanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der ringförmigen Bohr
krone 26 befinden, um das von der inneren ringförmigen Ausnehmung
umgebende Material herauszunehmen.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Bohrkopf 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Bohrkopf 10
umfaßt einen Bohrkopfkörper 12, der an seinem oberen Ende ein
Verbindungselement 14 in der Form eines üblichen Gewindestiftes
trägt zur Befestigung am unteren Ende eines hohlen Rohrstranges.
Es steht jedoch im Einklang mit der Erfindung, jede geeignete
Befestigungseinrichtung vorzusehen. Der Bohrkopfkörper 12
ist an seinem unteren Ende mit einem ringförmigen Schneidelement
16 in der Form einer Ringkrone versehen, die eine allgemein
sägezahnförmige Ausgestaltung besitzt, wobei eine Mehrzahl von
Schneidplatten 18 vorgesehen ist, die mit Diamanten besetzt ist,
wobei es sich um natürliche oder synthetische Diamanten handeln
kann, die in die Schneidflächen der Krone 16 eingebettet sind,
während Auslaßdurchlässe 20 zwischen benachbarten Zähnen vorge
sehen sind. Der Bohrkopfkörper 12 trägt außerdem eineMehrzahl
von Nuten oder Trübstoffschlitzen 22, die sich in Längsrichtung
über die Ringkrone 16 entlang des oberen Endes des Bohrkopfkör
pers 12 erstrecken. Die Kombination der Auslaßdurchlässe 20
und der im Abstand voneinander angeordneten Nuten 22 stellt
sicher, daß das Bohrklein und das Bohrfluid in angemessener Weise
aus dem Bereich unterhalb des Bohrkopfes 10 abgeführt werden
können. Der Bohrkopfkörper 12 kann außerdem mit Schleißplatten
25 versehen sein in einer herkömmlichen Weise, um die Abnutzung
des Bohrkopfkörpers zu verringern, der aus Stahl oder einem an
deren geeigneten harten Material besteht. Die Schleißplatten 25
können Wolframkarbideinsätze umfassen, die im Preßsitz in Boh
rungen auf der Oberfläche des Bohrkopfkörpers 12 eingebracht sind,
und zwar zwischen den Trübstoffschlitzen 22, so daß die Schleiß
platten 25 glatt mit der Oberfläche des Bohrkopfkörpers 12 ab
schließen.
Der Bohrkopf 10 umfaßt außerdem ein inneres Bohrelement 24, das
sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers 12 befindet. Das
innere Bohrelement 24 ist mit seinem oberen Ende an den Bohrkopf
körper 12 angeschlossen. Die Verbindung mit dem Bohrkopfkörper
kann in irgendeiner Weise vollzogen werden einschließlich einer
Verschweißung, einer Verschraubung oder einer einstückigen Formung
des Bohrkopfkörpers mit dem inneren Bohrelement. Das innere Bohr
element 24 ist an seinem unteren Ende mit einem ringförmigen
Schneidelement 26 in der Form einer Ringkrone versehen, die
eine allgemein sägezahnförmige Ausgestaltung besitzt, wobei
eine Mehrzahl von Schneidplatten 19 vorgesehen ist, die mit
Diamanten versehen sind, und zwar natürlichen oder synthetischen
Diamanten, die an den Schneidflächen der Bohrkrone 26 gehalten
sind und Auslaßdurchlässe 21 definieren zwischen jeweils benach
barten Kronenzähnen.
Die Schneidplatten 18 und 19 können aus kompaktem Polykristallin
diamant (PDC) hergestellt sein, indem man rechteckige Formen aus
PDC-Scheiben ausschneidet, wie sie handelsüblich von der Firma
General Electric oder DeBeers verfügbar sind. Die Schneidplatten
sind so ausgebildet, daß sie in irgendeiner herkömmlichen Weise
an den Schneidflächen befestigt werden können.
Der Bohrkopf umfaßt weiterhin drei im Abstand voneinander ange
ordnete Rotationsbohrelemente 28 in der Form von Schneidrädern,
die zwischen dem Bohrkopfkörper 12 und dem inneren Bohrelement 24
gelagert sind und die relativ hierzu rotieren können. Anstelle von
Lagern können auch herkömmliche andere Befestigungseinrichtungen
wie Reibmuffen- oder Rollenlager vorgesehen sein. Die Rotations
bohrelemente 28 sind mit Schneidzähnen 30 versehen, die aus
Wolframkarbid oder einem anderen geeigneten Material hergestellt
sein können, wobei die Bohrelemente so positioniert sind, daß
sich der tiefste Schneidzahn oberhalb der tiefsten Schneidkante
der Zähne der Bohrkronen 16 und 26 befindet, jedoch unterhalb
der obersten Kante der Auslaßdurchlässe 20. Diese Positionierung
ermöglicht eine Abführung angrenzend an die Schneidzähne 30,
so daß das Bohrklein und die Gesteinsbrocken, die durch die Zähne
gebildet werden, leicht aus der Umgebung um und unterhalb der
Bohrelemente 28 austreten und durch das Bohrfluid zur Oberfläche
geführt werden können. Der Abstand der Schneidzähne 30 auf den
Rotationsbohrelementen 28 kann in einer herkömmlichen Weise
variiert werden, um ein Spurlaufen zu vermindern und den Schneid
wirkungsgrad zu maximieren, indem sichergestellt wird, daß die
gesamte Fläche der Elemente 28 zum Schneideinsatz kommt. Der Winkel
zwischen der Drehachse eines jeden Rotationsbohrelementes 28
und einer Radiallinie senkrecht zur Bohrkopflängsachse im
Befestigungspunkt eines jeden Rotationsbohrelementes kann eben
falls variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und
den Schneidwirkungsgrad zu maximieren. Die Außenkontur der
Rotationsbohrelemente 28 kann ebenfalls variiert werden zur
Anpassung an den Befestigungswinkel, so daß sich die Rotations
bohrelemente 28 entsprechend zu drehen vermögen.
Der Bohrkopf 10 umfaßt außerdem drei im Abstand voneinander
angeordnete Rotationsbohrelemente 32 in der Form von Kegel
rollenmeißeln, die innerhalb des inneren Bohrelementes 24 ge
lagert sind und sich relativ hierzu zu drehen vermögen. Es können
auch hier andere herkömmliche Befestigungseinrichtungen Verwen
dung finden. Die Rotationsbohrelemente 32 sind mit einer Mehr
zahl von Schneidkarbid-Einsatzzähnen 34 versehen, die aus der
Oberfläche der Rotationsbohrelemente 32 herausragen und derart
positioniert sind, daß die tiefsten Schneidzähne sich oberhalb
der untersten Kanten der Zähne der Bohrkrone 26 befinden, jedoch
unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe 21. Der Ab
stand der Zahneinsätze 34 kann ebenfalls in herkömmlicher Weise
variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und den Schneid
wirkungsgrad zu maximieren. Darüber hinaus kann der Halterungs
winkel der Rotationsbohrelemente 32 in herkömmlicher Weise
variiert werden, um ein Spurlaufen zu minimieren und den Schneid
wirkungsgrad zu maximieren. Eine bevorzugte Anordnung der Rota
tionsbohrelemente 32 ist in den Fig. 8 und 9 wiedergegeben.
Die Fig. 4 und 5 erläutern den Boden eines Bohrloches 47, in
welchem die Schneidkrone 16 eine äußere ringförmige Ausnehmung 46
und die Bohrkrone 26 eine innere kreisförmige Ausnehmung ausge
schnitten hat, die sich konzentrisch innerhalb der äußeren ring
förmigen Ausnehmung 46 befindet durch Drehung des Bohrkopfes 10.
Da die tiefsten Schneidkanten der Rotationsbohrelemente 28 und
32 sich oberhalb der Zähne der Bohrkronen 16 und 26 befinden,
werden die ringförmigen Ausnehmungen 46 und 48 in das Boden
material 49 eingebracht, bevor die Bohrelemente 28 und 32 diese
Position erreichen, so daß dementsprechend die seitliche Veran
kerung des Materials 49 zwischen und innerhalb der ringförmigen
Ausnehmungen gelöst ist. Die Rotationsbohrelemente 28 zerstören
und entfernen das Material zwischen den ringförmigen Ausneh
mungen 46 und 48 und die Rotationselemente 32 zerstören und
entfernen das Material, das von der kreisförmigen Ausnehmung 48
umgeben ist, rasch und wirkungsvoll durch die Mahl-, Schneide-
und Kratzwirkung der Schneidzähne 30 und 34.
Gesteinsstücke und Bohrklein werden aus dem Bereich zwischen und
unterhalb der Rotationsbohrelemente 28 und 32 und den Bohrkronen
16 und 26 durch das Bohrfluid entfernt, das über eine Bohrfluid
leitung 36, die in Fig. 2 gezeigt ist, und eine Verbindung (nicht
dargestellt) zum hohlen Bohrstrang herstellt, zugeführt wird.
Das Bohrfluid wird getrennt den Rotationsbohrelementen 28 durch
die Fluiddurchlässe 38 und den Rotationsbohrelementen 32 durch
die Fluiddurchlässe 40 zugeführt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, geben die Durchlässe 38 das Bohrfluid
durch Düsen 42 frei, die sich jeweils zwischen den Rotationsbohr
elementen 28 befinden, während der Durchlaß 40 das Bohrfluid
durch die Düse 44 freisetzt, die sich mittig zwischen den Rota
tionsbohrelementen 32 befindet. Das Bohrfluid trägt das Bohrklein
und die Gesteinsstücke von einem Bereich unterhalb und zwischen
den Bohrkronen und den Rotationsbohrelementen durch die Auslaß
durchlässe 20 und 21 und um den Bohrkopf 10 durch die Nuten 22
nach außen.
Gemäß einer bevorzugten in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform
sind die Durchlässe 20 und 21 vergrößert, um einen größeren
Freiraum angrenzend an die Schneidzähne 30 und 34 zu schaffen,
so daß die Gesteinsstücke und das Bohrklein leichter aus dem
Bereich um und unterhalb der Bohrkronen und Rotationsbohrelementen
auszutreten vermag.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig.
7 wiedergegeben ist, können die Bohrelemente 16 oder 26 als Bohr
kronen ausgebildet sein, die eine allgemein sägezahnförmige
Ausgestaltung besitzen, mit verschleißfesten Verstärkungen 50,
die in die Schneidflächen der Bohrelemente eingebettet sind.
Die Schleißelemente 50 können natürliche oder synthetische Dia
manten, Diamant/Wolframkarbidmatrix, Karbide wie Wolframkarbid,
Bohrkarbid oder Siliziumkarbid oder auch irgendein anderes ge
eignetes hartes Material umfassen.
Bei einer weiteren in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausfüh
rungsform können die Bohrkronen 16 oder 26 eine Mehrzahl von
Nasen 52 tragen, die aus dem unteren Ende des Bohrkopfkörpers 12
oder des inneren Bohrelementes 24 vorragen, wobei ein verschleiß
festes Material auf den Schneidflächen der Nasen 52 angeordnet
sein kann. Auch hier kann wiederum das verschleißfeste Material
natürliche oder synthetische Diamanten, Diamant-Wolframkarbid
matrix, Karbide wie Wolframkarbid, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid
oder irgendwelche anderen geeigneten Materialien umfassen. Schneid
platten 23 mit Diamanten, und zwar entweder natürlichen oder
synthetischen Diamanten, können auch auf den Schneidflächen der
Nase 52 befestigt sein, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Sie
können aus PDC-Scheiben hergestellt sein. Diese Ausführungsform
der Bohrkronen 16 oder 26 kann hergestellt werden, indem man die
Nasen 52 durch Preßsitz in vorgebohrten Löchern am unteren Ende
des Bohrkopfkörpers 12 oder des inneren Bohrelementes 24 hält.
Gemäß einer anderen in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform der
Erfindung können die Rotationsbohrelemente 28 im Abstand vonein
ander angeordnete Schneidscheiben umfassen. Der Keilwinkel 29
der Schneidscheiben kann variiert werden, um den Schneidwirkungs
grad zu maximieren.
In einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls in den Fig.
8 und 9 gezeigt ist, können die Rotationsbohrelemente 32 Kegel
rollenmeißel umfassen, die mit einer Mehrzahl verschleißfester
Zähne 54 versehen sind, die auf der Kegeloberfläche eingebracht
sind. Die Zähne können mit Karbid überzogen werden wie etwa mit
Wolframkarbid, Bohrkarbid oder Siliziumkarbid.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß der Dar
stellung in Fig. 10 ist eine Mehrzahl innerer Bohrelemente
vorgesehen, die an ihren unteren Enden Bohrkronen 26, 26′ und
26′′ tragen und konzentrisch zueinander und zum Bohrkopfkörper
angeordnet sind, der an seinem unteren Ende eine Bohrkrone 16
trägt. Jedes der Mehrzahl innerer Bohrelemente ist an seinem
oberen Ende mit dem Bohrkopfkörper 12 verbunden. Rotationsbohr
elemente 28, 28′ und 28′′ sind zwischen jeweils zweien der
inneren Bohrelemente und zwischen dem Bohrkopfkörper und dem
äußersten inneren Bohrelement vorgesehen und derart angeordnet,
daß die untere Schneidkante jeweils oberhalb der unteren Schneid
kanten der Bohrkronen des Bohrkopfkörpers und der inneren Bohr
elemente angeordnet ist. Rotationsbohrelemente 32 sind innerhalb
des inneren Bohrelementes vorgesehen und so angeordnet, daß
ihre unteren Schneidkanten oberhalb der unteren Schneidkanten
der innersten Bohrkrone liegen. Bei einer Drehung des Bohrkopfes
schneiden die Bohrkronen 26, 26′, 26′′ und 16 konzentrische ring
förmige Ausnehmungen vor den Rotationsbohrelementen 32, 28, 28′
und 28′′. Die Rotationsbohrelemente 28, 28′ und 28′′ entfernen
das Material zwischen den konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen
und die Rotationsbohrelemente 32 entfernen das Material , das
innerhalb der inneren ringförmigen Ausnehmung liegt und von dieser
umgeben ist. Die Gesteinsbrocken und das Bohrklein werden von
dem Raum zwischen und unterhalb der Bohrkronen 26, 26′, 26′′ und 16
und den Rotationsbohrelementen 32, 28, 28′ und 28′′ durch das
Bohrfluid entfernt, das von Düsen 42, 42′ und 42′′ freigesetzt
wird, die sich jeweils zwischen den Rotationsbohrelementen 28,
28′ und 28′′ befinden, sowie der Düse 44, die sich mittig zwischen
den Rotationsbohrelementen 32 befindet.
Es leuchtet ein, daß jede Kombination von Rotationsbohrelementen
und Bohrkronen mit den vorbeschriebenen Variationen im Sinne der
Erfindung geeignet ist. So umfaßt beispielsweise die Erfindung
einen Bohrkopf mit einem ringförmigen Bohrkopfschneidelement,
das eine sägezahnförmige Bohrkrone bildet, einem inneren ring
förmigen Bohrelement, das vorspringende verschleißfeste Nasen trägt,
Rotationsbohrelementen vom Scheiben- und Einsatztyp sowie Kegel
rollenmeißel mit eingesetzten und bearbeiteten Zähnen.
Um die Vorteile der Erfindung darzustellen, wurden Labor-Bohr
versuche durchgeführt unter Verwendung von vorgeschnittenem Ge
stein und einem Ölfördertyp-Bohrkopf. Das Einschneiden einer ein
zigen Ausnehmung vor dem Primär-Gesteinsschneidwerkzeug erhöhte
die Bohrgeschwindigkeit um 63%, während die Ausbildung von zwei
konzentrischen Ausnehmungen entsprechend der Lehre der vorlie
genden Erfindung die Bohrgeschwindigkeit um einen Faktor von
mehr als 4 erhöhte. Die Tiefe der Ausnehmungen scheint wichtig
zu sein, wenn einzelne Ausnehmungen vorhanden sind, jedoch weniger
wichtig, wenn zwei oder mehrere ringförmige Ausnehmungen einge
schnitten worden sind. Es wurde außerdem herausgefunden, daß
die Vorteile der Erfindung besonders deutlich werden, wenn die
Ausbildung der Kegelrollenmeißel genau auf die Art des zu boh
renden Gesteins abgestimmt ist.
Bei den Untersuchungen wurden Steinplatten aus Carthage Marble
hergestellt, indem man Kerne mit einer Länge von 915 mm und
einem Durchmesser von 940 mm in jeweils 6 Steinplatten zersägte.
Unter Einsatz einer Bohrpresse mit Diamantkernsägen wurden
einige dieser Steinplatten mit einer einzigen ringförmigen Aus
nehmung versehen, andere wurden mit mehreren kreisförmigen Aus
nehmungen versehen und wieder andere verblieben ohne Ausnehmung.
Die Steinplatten wurden dann gestapelt und mittels Zement mit
einander verbunden, so daß 914,4 mm lange Testproben entstanden.
Die Testproben wurden dann in Gummi eingefaßt und abgedichtet,
indem eine Metallplatte an jedem Ende angeordnet wurde. Die
oberste Platte besaß eine Öffnung, so daß ein Bohrkopf hindurch
treten und mit dem Gestein in Kontakt treten konnte. Diese oberste
Platte und die untersten Platten wurden mit dem Gestein in Kontakt
gehalten durch Gewindestahlstäbe, die sich axial entlang des Um
fanges der Proben erstreckten und unter Spannung standen. Hier
durch wurden die einzelnen mit den Ausnehmungen versehenen Stein
platten fest zusammengehalten. Die Gummiumhüllung wurde dicht
um die gesamte Probe gelegt, um einen Fluiddurchtritt zu ver
hindern.
Für jeden durchgeführten Test wurde die vorbereitete Gesteins
probe in einen Druckbehälter abgesenkt zusammen mit einem Bohr
kopf, einem Bohrgestänge, einer Bohrlochabdichtung sowie einer
Druckbehälterkappe. Die Kappe wurde dann angezogen, um den Be
hälter abzudichten. Ein Bohrgestell wurde oberhalb des Druck
behälters angeordnet und das Bohrgestänge wurde mit der Antriebs
welle verbunden. Alle Bohruntersuchungen wurden in einer Umge
bung durchgeführt, wie sie derjenigen unten im Bohrloch ent
spricht. Der Bohrlochdruck wurde bei 138 bar gehalten. Das Ge
stein wurde unter Druck gesetzt, um die Belastung und Horizon
talspannungen zu simulieren, die in etwa auf das Gestein bei
etwa 1311 m Tiefe einwirken. Die Belastung lag bei 300 bar,
während die Horizontal- oder Radialspannung 200 bar betrug.
Die Temperatur des Bohrschlammes wurde zwischen 40,6°C und
43,3°C gehalten. Alle Tests wurden bei einer Bohrkopfbelastung
bis zu 20 412 kp und 60 upm durchgeführt. Während des Bohrvor
ganges schwankte das Gewicht auf dem Bohrkopf plus oder minus
227 kp, während die Rotationsgeschwindigkeit um plus oder minus
2 upm von den eingestellten Bedingungen abwich. Die Strömungs
menge wurde bei 1363 l/min plus oder minus 19 l/min gehalten,
wodurch sich eine hydraulische Leistung von etwa 2,45 hydrau
lischer Pferdestärken pro Quadratzoll ergab.
Ein mit Wolframkarbideinsätzen verstärkter Bohrkopf mit einem
Durchmesser von 215,9 mm (Hughes J-33 Sealed Journal-Bearing
Bit (IADC 537)), der mit drei Strahldüsen mit einem Durchmesser
von 10,3 mm ausgerüstet war, was zu einer gesamten Strömungs
fläche von 250 mm2 führte, wurde eingesetzt. Das Bohrfluid war
ein Schlamm auf Wasserbasis.
Das Eindringausmaß (ROP) wurde jede Sekunde gemessen, während
der Bohrkopf sich in die Testprobe einbohrte. ROP wurde bestimmt,
indem man die gemessene inkrementale Änderung der Eindringung
des Bohrkopfes durch das Zeitintervall einer Sekunde teilte.
Die durchschnittliche ROP in das Gestein mittels des J-33-Bohr
kopfes betrug 4,27 m/h. Wenn eine Probe mit einer einzigen
ringförmigen Ausnehmung gebohrt wurde, stieg die augenblickliche
ROP auf mehr als 11 m/h. Beim Bohren einer mit zwei ringförmigen
Ausnehmungen versehenen Probe wurde eine augenblickliche ROP
von 26,7 m/h erzielt.
Ein Weg, diese Daten zu analysieren, liegt darin, das durch
schnittliche Bohrausmaß durch die mit Ausnehmungen versehenen
Abschnitte zu vergleichen, indem man zunächst die durchschnitt
liche ROP durch den mit Ausnehmungen versehenen Bereich bestimmt
und dann normalisiert, indem man jeweils dividiert durch die
durchschnittliche ROP in das Gestein ohne Ausnehmung. Das Er
gebnis für jeden mit Ausnehmungen versehenen Abschnitt repräsen
tiert dann ein Verhältnis oder einen "ROP-Verbesserungsfaktor",
der den Vorteil angibt, der durch die Ausnehmungen des Gesteins
vor dem Bohrkopf erzielt wurde. Da die ringförmigen Ausnehmungen
effektiv einen Teil des Lochbodenbereiches entfernen, bevor der
Bohrkopf die verbleibenden Bereiche durchbohrt, muß der Norma
lisierungsprozeß vervollständigt werden, indem man die ROP-Daten
korrigiert unter Berücksichtigung des effektiven Anstiegs des
Gewichtes auf den Bohrkopf pro Flächeneinheit des Bohrlochbodens.
Die Formel zur Ermittlung des ROP-Verbesserungsfaktors für jede
mit einer Ausnehmung versehene Steinplatte ist wie folgt:
Dabei ist:
ROP k durchschnittliche ROP in dem Abschnitt mit Ausnehmung
ROP i durchschnittliche ROP im Gestein ohne Ausnehmung
A k Querschnittsfläche, die in dem Bohrloch mit Aus nehmung verbleibt
A i Querschnittsfläche des gesamten Bohrlochs
ROP i durchschnittliche ROP im Gestein ohne Ausnehmung
A k Querschnittsfläche, die in dem Bohrloch mit Aus nehmung verbleibt
A i Querschnittsfläche des gesamten Bohrlochs
Der ROP-Verbesserungsfaktor im Gestein ohne Ausnehmung ist dem
entsprechend 1,0. Der beste Fall für eine Steinplatte mit einer
einzigen ringförmigen Ausnehmung lag bei einem ROP-Verbesserungs
faktor von 1,63. Gesteinsplatten mit mehreren Ausnehmungen führten
zu einem sehr starken und beeindruckenden Einfluß auf die ROP.
Doppelte Ausnehmungen führten durchgängig zu ROP-Verbesserungs
faktoren von mehr als 2,4 mit einem Anstieg bis zu 4,42. In
einem anderen Fall, bei welchem mit drei konzentrischen Aus
nehmungen gebohrt wurde, ergab sich ein ROP-Verbesserungsfaktor
von 4,81.
Somit ergab sich für den Bohrkopf gemäß der Erfindung eine be
merkenswerte Verbesserung des Bohrausmaßes gegenüber einem Ge
stein ohne Ausnehmung und sogar über Gestein mit einer einzigen
ringförmigen Ausnehmung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden zuvor näher
erläutert. Es soll jedoch an dieser Stelle noch einmal ausdrück
lich angegeben werden, daß es sich bei der vorangehenden Be
schreibung lediglich um eine solche beispielhaften Charakters
handelt und daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen
ohne weiteres in den Rahmen der Erfindung fallen.
Claims (36)
1. Bohrkopf, gekennzeichnet durch
- a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Abschlußende, wobei das untere Ende als Ringkrone (16) ausge bildet ist, mittels welcher durch Drehung des Bohrkopfes (10) eine äußere ringförmige Ausnehmung (46) in die Formation ein bringbar ist,
- b) ein inneres Bohrelement (24), das konzentrisch zum Bohrkopf körper (12) angeordnet und mit seinem oberen Ende an dem Bohr kopfkörper (12) gehalten ist, während das untere Ende als Bohr krone (26) ausgebildet ist zur Ausbildung einer inneren ring förmigen Ausnehmung (48) konzentrisch zur äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
- c) eine erste Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28), die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) relativ zum Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohr element (24) drehbar gehalten ist, wobei die tiefsten Schneid kanten der Rotationsbohrelemente oberhalb der tiefsten Schneid kanten der ringförmigen Bohrelemente (16 und 26) des Bohrkopf körpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind zur Entfernung des zwischen den inneren und äußeren Aus nehmungen (46 und 48) befindlichen Materials,
- d) eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (32), die innerhalb des inneren Bohrelementes (24) relativ zu diesem drehbar gehalten ist, wobei sich dessen tiefste Schneidkante oberhalb der tiefsten Schneidkante der ringförmigen Bohrkrone (26) des inneren Bohrelementes (24) befindet, zur Entfernung des von der inneren Ausnehmung (48) umgebenen Materials,
- e) eine Bohrflüssigkeitsleitung (36), die innerhalb des Bohrkopfes (10) angeordnet ist und ein oberes wie ein unteres Ende aufweist zur Überleitung von Bohrfluid vom oberen Ende des Bohrkopfes (10) zu dessen unterem Ende, und
- f) eine Einrichtung (14) zum Verbinden der oberen Enden des Bohr kopfkörpers (12) und der Bohrfluidleitung (36) mit einem Bohr strang.
2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohr
kopfkörper (12) eine Mehrzahl in einem Abstand voneinander ange
ordneter Trübstoffschlitze (22) trägt, die sich in Längsrichtung
von der Ringkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) bis zu dessen
oberem Ende erstrecken zur Abführung des Bohrlochfluids und der
Trübe von einem Bereich unterhalb des Bohrkopfes (10).
3. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring
krone (16) des Bohrkopfkörpers (12) einen Schneidrand mit einer
sägezahnförmigen Ausbildung trägt, an deren Schneidflächen ver
schleißfeste Schneidplatten (18) gehalten sind, während Auslässe
(20) zwischen den Bohrzähnen zur Abführung der Trübe aus dem
Bereich unterhalb des Kopfes vorgesehen sind.
4. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Schneidplatten mit Diamanten bestückt sind.
5. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Schneidplatten Wolframkarbit, Bohrkarbid oder
Siliziumkarbid enthalten.
6. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Schneidplatten Wolframkarbid umfassen.
7. Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Bohrschneidplatten (18) vorgesehen sind, wobei
auf den Schneidflächen der Krone Diamanten gehalten sind.
8. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
ringförmige Schneideinrichtung (26) des inneren Bohrelementes
(24) als Bohrkrone mit einer im wesentlichen sägezahnförmigen
Ausbildung ausgestaltet ist, wobei auf den Schneidflächen der
Krone ein abriebfestes Material gehalten ist und Auslaßdurch
lässe (21) zwischen benachbarten Zähnen zur Abführung des Bohr
kleins aus einem Bereich unterhalb des Bohrkopfes ausgebildet
sind.
9. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
abriebfeste Material Diamanten umfaßt.
10. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
abriebfeste Material Karbide umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Siliziumkarbid.
11. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
abriebfeste Material Wolframkarbid umfaßt.
12. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Schneidplatten (19) vorgesehen ist, wobei die
Schneidflächen der Krone mit Diamanten bestückt ist.
13. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
ringförmige Schneidelement (16) des Bohrkopfkörpers (12) eine
Mehrzahl von Nasen (52) umfaßt, die von dem Bohrkopfkörper
(12) vorspringen, wobei auf den Schneidflächen der Nasen (52)
verschleißfeste Materialien aufgebracht sind.
14. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Materialien Diamanten umfassen.
15. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Materialien Karbide umfassen ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Silizium
karbid.
16. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
verschleißfeste Material Wolframkarbid ist.
17. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Schneidplatten (23) vorgesehen ist, wobei auf den
Schneidflächen der Nasen (52) Diamanten angeordnet sind.
18. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
ringförmige Schneidelement (26) des inneren Bohrelementes (24)
eine Mehrzahl von Nasen (52) umfaßt, die von dem inneren Bohr
element (24) vorspringen, wobei ein verschleißfestes Material
auf den Schneidflächen der Nasen (52) angeordnet ist.
19. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das
verschleißfeste Material Diamanten umfaßt.
20. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das
verschleißfeste Material Karbide umfaßt, ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Wolframkarbid, Bohrkarbid und Siliziumkarbid.
21. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das
verschleißfeste Material Wolframkarbid ist.
22. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Schneidplatten (23) vorgesehen ist, wobei auf die
Schneidflächen der Nasen (52) Diamanten aufgebracht sind.
23. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28) vorgesehen ist mit
mindestens zwei in einem Abstand voneinander angeordneten Schneid
rädern, die verschleißfeste Zähne (30) tragen.
24. Bohrkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfesten Zähne Wolframkarbid umfassen.
25. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Mehrzahl der Rotationsbohrelemente (28) mindestens zwei
im Abstand voneinander angeordnete Schneidscheiben umfaßt.
26. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (22) mindestens zwei
im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollenmeißel umfaßt.
27. Bohrkopf nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl verschleißfester Zahnein
sätze (34) umfaßt, die aus der Oberfläche der Kegelrollenmeißel
vorspringen.
28. Bohrkopf nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
die verschleißfesten Zahneinsätze (34) Wolframkarbid umfassen.
29. Bohrkopf nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl abriebfester Zähne (54) tragen,
die auf der Oberfläche der Kegelrollenmeißel gehalten sind.
30. Bohrkopf nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die
abriebfesten Zähne mit Karbid überzogen sind.
31. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich
die Bohrfluidleitung (36) innerhalb des Bohrkopfes (10) befindet
zur Überleitung von Bohrfluid zu den Bohrkronen (16 und 26)
sowie der ersten und zweiten Mehrzahl der Rotationsbohrelemente
(28 und 32), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38,
40) aufweist zur getrennten Abgabe des Fluids oberhalb und zwischen
jeweils der ersten und zweiten Mehrzahl der Rotationsbohrelemente
(28 und 32).
32. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch
- a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet mit im allgemeinen sägezahnförmiger Ausbildung und verschleiß festen Materialien auf den Schneidflächen der Bohrkrone zum Einbringen einer äußeren kreisförmigen Ausnehmung (46) bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
- b) ein inneres Bohrelement (24), das sich konzentrisch innerhalb des Bohrkopfkörpers (12) befindet, dessen oberes Ende mit dem Bohrkopfkörper (12) in Verbindung steht, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet mit einer im allgemeinen sägezahnförmigen Ausbildung, wobei verschleißfeste Materialien auf den Schneidflächen der Krone angeordnet sind zum Einschnei den einer ringförmigen Ausnehmung (48), die konzentrisch zur äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) angeordnet ist bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
- c) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Schneid räder, die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind zur Rotation relativ zum Bohrkopfkörper (12) sowie dem inneren Bohrelement (24), wobei die Schneidräder mit ihren tiefsten Schneidkanten oberhalb der tiefsten Schneidkanten der sägezahnförmigen Krone des Bohrkopfkörpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) an geordnet sind zur Entfernung des Materials zwischen den äußeren und inneren ringförmigen Ausnehmungen (46, 48),
- d) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollen meißel, die zwischen dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind und sich relativ zu diesem inneren Bohrelement (24) dre hen, wobei die Kegelrollenmeißel eine Mehrzahl verschleiß fester Zähne (34) tragen, die von der Oberfläche der Kegel rollenmeißel vorragen derart, daß die tiefsten Schneidzähne oberhalb der tiefsten Schneidkanten der sägezahnförmigen Krone des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind zur Entfernung des von der inneren kreisförmigen Ausnehmung (48) umgebenen Materials,
- e) eine Bohrlochfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohr kopfes (10) befindet, zur Überleitung des Bohrfluids zu den Schneidrädern, den Kegelrollenmeißel sowie den Bohrkronen (16, 26), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38, 40) umfaßt zur getrennten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen jeweils der im Abstand voneinander angeordneten Schneidräder und Kegelrollenmeißel, und
- f) eine Einrichtung (14) zum Verbinden der Bohrlochfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers (12) mit einem Bohrleitungsstrang.
33. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch
- a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem un teren Ende, wobei das untere Ende eine kreisförmige Bohr krone bildet zum Einschneiden einer äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) bei einer Rotation des Bohrkopfes (10), wo bei die Bohrkrone eine allgemein sägezahnförmige Ausgestal tung besitzt mit einer Mehrzahl von Schneidplatten (18), deren Schneidflächen mit Diamanten bestückt sind und Aus lässe (20) begrenzen zwischen nebeneinander liegenden Kro nenzähnen zur Entfernung von Bohrklein aus dem Bereich un terhalb des Bohrkopfes, während der Bohrkopfkörper (12) im Abstand voneinander angeordnete Nuten (22) trägt, die sich in Längsrichtung von der kreisförmigen Krone in Richtung auf das obere Ende des Bohrkopfkörpers (12) erstrecken zur Ab führung von Bohrklein und Bohrlochfluid von dem Bereich unter halb des Bohrkopfes (10),
- b) ein inneres Bohrelement (24), das sich konzentrisch inner halb des Bohrkopfkörpers (12) befindet und dessen oberes Ende an den Bohrkopfkörper (12) angeschlossen ist, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone bildet zum Schneiden einer inneren ringförmigen Ausnehmung (48), die sich kon zentrisch innerhalb der äußeren ringförmigen Ausnehmung (46) befindet bei einer Drehung des Bohrkopfes (10), wobei die Bohrkrone eine im wesentlichen sägezahnförmige Ausbildung besitzt und eine Mehrzahl von Schneidplatten (19) vorgesehen sind, die auf den Schneidflächen mit Diamanten bestückt sind und Auslaßdurchlässe (21) begrenzen zwischen jeweils benach barten Kronenzähnen zur Abführung des Bohrkleins aus dem Bereich unterhalb des Bohrkopfes (10),
- c) drei imAbstand voneinander angeordnete Schneidräder, die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) drehbar gehalten sind zur Rotation relativ zu dem Bohr kopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) zur Ent fernung des Materials zwischen der äußeren und der inneren ringförmigen Ausnehmung (46, 48), wobei die Schneidräder mit Schneidzähnen (30) versehen sind, die aus Wolframkarbid bestehen und derart angeordnet sind, daß die tiefsten Schneid zähne sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkrone und unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe (20) des Bohrkopfkörpers (12) befinden,
- d) drei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollenmeißel (32), die innerhalb des inneren Bohrelementes (24) angeordnet sind und sich relativ zu dem inneren Bohrelement (24) zu drehen vermögen zur Entfernung des von der inneren kreisförmigen Ausnehmung (48) umgebenen Materials, wobei die Kegelrollen meißel eine Mehrzahl von Karbidzähnen (34) aufweisen, die von der Kegelrollenmeißeloberfläche vorragen derart, daß die tiefsten Schneidzähne sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkronen des inneren Bohrelementes (24) befinden und unterhalb der obersten Kanten der Auslaßdurchlässe (21) des inneren Bohrelementes (24),
- e) eine Bohrlochfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohr kopfes (10) befindet zur Zuführung von Bohrfluid zu den Schneidrädern, den Kegelrollenmeißel sowie den kreisförmigen Bohrkronen (16, 26), wobei die Leitung (36) getrennte Durch lässe (38, 40) aufweist zur getrennten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen jeweils der im Abstand voneinander angeordneten Schneidräder und Kegelrollenmeißel, und
- f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der Bohrfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers (12) mit einem Bohrleitungsstrang.
34. Bohrkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch:
- a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende eine Bohrkrone (16) bildet zum Einschneiden einer äußeren kreisförmigen Ausnehmung (46) beim Drehen des Bohrkopfes (10),
- b) eine Mehrzahl innerer Bohrelemente, die sich konzentrisch innerhalb des anderen Bohrelementes und innerhalb des Bohr kopfkörpers (12) befindet, wobei jedes der inneren Bohrele mente mit seinem oberen Ende an dem Bohrkopfkörper (12) ge halten ist, während die jeweils unteren Enden als Bohrkronen (26, 26′, 26′′) ausgebildet sind zum Einschneiden konzen trischer ringförmiger Ausnehmungen bei einer Drehung des Bohrkopfes (10),
- c) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneter Rotations bohrelemente (28, 28′, 28′′), die zwischen dem Bohrkopfkör per (12) und dem äußersten der inneren Bohrelemente und zwischen jeweils einer Mehrzahl der inneren Bohrelemente angeordnet sind zur Rotation relativ zum Bohrkopfkörper (12) und den inneren Bohrelementen, wobei die Rotationsbohrelemente (28, 28′, 28′′) derart angeordnet sind, daß die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der kreisförmigen Bohrkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) be finden und die inneren Bohrelemente das Material zwischen den konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen entfernen,
- d) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Kegelrollen meißel, die sich innerhalb des innersten der inneren Bohrele mente befinden zur Drehung relativ zu dem inneren Bohrelement (24), wobei die tiefsten Schneidkanten der Kegelrollenmeißel sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten des ringförmigen Schneidelementes (26) des innersten der inneren Bohrelemente befinden zur Entfernung des Materials, das von der innersten der konzentrischen ringförmigen Ausnehmungen umgeben ist,
- e) eine Bohrfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohrkopfs (10) befindet zur Freigabe von Bohrfluid an den Rotations bohrelementen (28, 28′, 28′′), den Kegelrollenmeißel und den Bohrkronen (16, 26, 26′, 26′′), wobei die Leitung (36) getrennte Auslässe aufweist zur getrennten Abgabe des Fluids oberhalb und zwischen den Rotationsbohrelementen (28, 28′, 28′′) und den Kegelrollenmeißeln, und
- f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der Bohrfluidleitung (36) und des oberen Endes des Bohrkopfkörpers mit einem Bohrleitungs strang.
35. Verfahren zum Einbringen von Bohrlöchern in Erdformationen,
dadurch gekennzeichnet, daß man einen Bohrkopf verwendet, der die
folgenden Merkmale aufweist:
- a) einen Bohrkopfkörper (12) mit einem oberen Ende sowie einem unteren Ende, wobei das untere Ende als kreisförmige Bohrkrone (16) ausgebildet ist,
- b) einem inneren Bohrelement (24), das sich konzentrisch inner halb des Bohrkopfkörpers (12) befindet, dessen oberes Ende mit dem Bohrkopfkörper (12) verbunden ist, während das untere Ende eine ringförmige Bohrkrone (26) bildet,
- c) eine erste Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28), die zwischen dem Bohrkopfkörper (12) und dem inneren Bohrelement (24) angeordnet sind zur Rotation relativ zu dem Bohrkopf körper (12) und dem inneren Bohrelement (24), wobei die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der untersten Schneid kanten der Bohrkrone (16) des Bohrkopfkörpers (12) und des inneren Bohrelementes (24) befinden,
- d) eine zweite Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (32), die sich innerhalb des inneren Bohrelementes (24) zur Drehung relativ zu dem inneren Bohrelement (24) befinden, wobei die tiefsten Schneidkanten sich oberhalb der tiefsten Schneidkanten der Bohrkrone (26) des inneren Bohrelementes (24) befinden,
- e) eine Bohrfluidleitung (36), die sich innerhalb des Bohrkopfes (10) befindet zur Freigabe von Bohrfluid an die Bohrkronen (16, 26) sowie die erste und zweite Mehrzahl von Rotations bohrelementen (28, 32), wobei die Leitung (36) getrennte Durchlässe (38, 40) aufweist zur separaten Freigabe des Fluids oberhalb und zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von Rotationsbohrelementen (28, 32) sowie
- f) eine Einrichtung (14) zur Verbindung der oberen Enden des Bohrkopfkörpers (12), des inneren Bohrelementes (24) sowie der Bohrfluidleitung (36) mit einem Bohrleitungsstrang,
wobei durch die Drehung des Bohrkopfes (10) die Bohrkrone (16)
des Bohrkopfkörpers (12) eine äußere ringförmige Ausnehmung (46)
einschneidet, die ringförmige Bohrkrone (26) des inneren Bohr
elementes (24) eine innere kreisförmige Auskerbung (28) ausschnei
det, die konzentrisch innerhalb der äußeren ringförmigen Ausneh
mung (46) angeordnet ist, während die erste Mehrzahl der Rotations
bohrelemente (28) das Material zwischen der äußeren und der inne
ren ringförmigen Ausnehmung (46, 48) entfernt und die zweite Mehr
zahl von Rotationsbohrelementen (32) das Materials entfernt, das
von der inneren ringförmigen Ausnehmung (48) umgeben ist.
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