DE60221277T2

DE60221277T2 - Flüssigkeitsbohrkopf

Info

Publication number: DE60221277T2
Application number: DE60221277T
Authority: DE
Inventors: Timothy Gregory Highgate Hill MEYER
Original assignee: CMTE Development Ltd
Current assignee: CMTE Development Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: DE60221277D1; EA200400676A1; CA2467003A1; AUPR886401A0; BR0214166B1; PL199155B1; UA75998C2; ATE367506T1; EA005617B1; EP1454029A1; ZA200403930B; CN1623027A; CA2467003C; ES2290336T3; CN1327103C; BR0214166A; EP1454029A4; CO5590978A2; AU2002339245B2; EP1454029B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Fluidbohrkopf und ist insbesondere, jedoch nicht allein für die Verwendung in Fluidbohrvorrichtungen der Art, die in der australischen Patentschrift 700032 , deren Inhalt hier mittels Querverweisen inkorporiert ist, beschrieben sind, entworfen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei Fluidbohrvorrichtungen im Allgemeinen und insbesondere bei Vorrichtungen der Art, die in der australischen Patentschrift AU700032 beschrieben sind, ist das Gestein, durch das ein Bohrloch mittels Fluidstrahlabtragung gebildet wird, häufig hart und durch die Wasserstrahltätigkeit schwer zu schneiden oder abzutragen.
Es ist ein Problem der Fluidbohrvorrichtungen dieser Art, dass das Vorankommen des Schneidekopfes aufgrund der unbeständigen Natur des Gesteins, das geschnitten wird, schwer zu regulieren ist. Häufig wird der Schneidekopf in Bereichen härteren Gesteins aufgehalten, was ein übermäßiges Nachräumen des umgebenden Gesteins in diesem Bereich bewirkt, bis das Gestein vor dem Kopf ausreichend beseitigt ist, um ein Voranbewegen des Schneidekopfes zu ermöglichen, woraufhin der Kopf vordrängt, was in einem unbeständigen und ungleichmäßigen Durchmesser der Bohrung, die geschnitten wird, resultiert.
Bei der Praxis des Wasserstrahlbohrens unter Verwendung eines Bohrers, ähnlich dem in der australischen Patentanmeldung AU700032 beschriebenen, schneiden die Hochdruckwasserstrahlen das Gestein vor dem Bohrer, wobei Gesteinssplitter gebildet werden, die Bohrklein genannt werden. Das verbrauchte Strahlfluid fließt dann entlang dem Bohrloch zurück, zuerst durch den Ringraum, der zwischen dem Körper des Bohrers und der Bohrlochwand gebildet ist, und dann durch den viel größeren Ringraum, der zwischen dem Hochdruckversorgungsschlauch und der Bohrlochwand gebildet ist. Das Bohrklein wird in dem Fluss dieses verbrauchten Strahlfluids mitgetragen. Die volumetrische Durchflussrate der Wasserstrahlen ist für eine gegebene Kombination von Pumpdruck und Düsendurchmesser konstant, während die Rate des produzierten Bohrkleins von der Bohrdurchdringungsrate und dem Bohrlochdurchmesser bestimmt wird.
Damit das verbrauchte Strahlfluid und das Bohrklein durch den ringförmigen Bereich, der von dem Körper des Werkzeugs und der Bohrlochwand gebildet wird, zurückfließen kann, ist eine Druckdifferenz über die Länge des Werkzeugs erforderlich. Somit wirkt ein hoher Druck auf den vorderen Oberflächenbereich des Bohrers im Vergleich zu dem hinteren Oberflächenbereich. Der Betrag dieser Druckdifferenz wird von dem äquivalenten Durchflussquerschnitt des Ringraums, der volumetrischen Durchflussrate des verbrauchten Strahlfluids und des Bohrkleins und der Länge des Werkzeugkörpers bestimmt. Wenn der äquivalente Durchflussquerschnitt des Ringraums ausreichend klein ist, dann ist die resultierende Druckdifferenz ausreichend groß, um eine rückwärts wirkende Kraft zu erschaffen, die größer als die Nettovorwärtskraft ist, die von den Rückstrahlen erschaffen wird.
Dies hält das Vorrücken des Bohrers an und führt möglicherweise sogar dazu, dass der Bohrer rückwärts gezwungen wird. Dies wird als „Blockieren des Bohrers" bezeichnet.
Zwei separate, aber verwandte Situationen können das Blockieren des Werkzeugs verursachen. Als Erstes wird das Werkzeug blockieren, wenn der Durchmesser des geschnittenen Bohrlochs unter einem kritischen Wert liegt. Als Zweites können, wenn Bohrkleinpartikel erzeugt werden, die größer als die Ringraumaussparung sind, sie die Ringraumregion teilweise verstopfen, wodurch der äquivalente Durchflussquerschnitt reduziert und verursacht wird, dass das Werkzeug blockiert.
Es gibt auch widerstreitende Anforderungen in dem Bereich der drehbaren Düsenanordnung des Fluidschneidekopfes zwischen dem Belassen von ausreichend Zwischenraum für Partikel des Gesteins, das durch die Wasserstrahltätigkeit abgetragen wird, um die drehende Düsenanordnung freizumachen und in dem Fluidfluss rückwärts getragen zu werden, und der Notwendigkeit, den Auslass von den Hochdruckfluidstrahldüsen so eng wie möglich an der Gesteinsfläche befindlich zu haben, um die Schneidekraft zu optimieren.
US 4,458,766 offenbart ein Hydrostrahl-Bohrmittel, das eine Sammelkammer und ein Schutzvorsprungsmittel, das sich unterhalb der Sammelkammer erstreckt, umfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung einen Fluidbohrkopf der Art, die eine Vielzahl von Düsen in einer drehbaren Düsenanordnung aufweist, bereit, wobei die Düsen angepasst sind, um mit Hochdruckfluid versorgt zu werden, das Strahlen bildet, die positioniert sind, um benachbartes Gestein zu schneiden, und die abgewinkelt sind, um eine reaktive Kraft bereitzustellen, welche angeordnet ist, um die Düsenanordnung zu drehen, gekennzeichnet durch die Bereitstellung eines Kontrollrings, der sich relativ zu der drehbaren Düsenanordnung konzentrisch befindet und relativ zu der Richtung des Vortriebs des Bohrkopfes hinter den Strahlen positioniert ist, wobei der Kontrollring einen Gesamtumfang aufweist, der so bemessen ist, dass er in den gewünschten Teilbereich der von dem Bohrkopf gebohrten Bohrung passt, wobei der Kontrollring einen ringförmigen Zwischenraum zu der drehbaren Düsenanordnung aufweist.
Vorzugsweise ist der Kontrollring von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration und wobei der Zwischenraum bemessen ist, um den Fluss von Gesteinspartikeln, die durch die Schneidetätigkeit der Fluidstrahlen abgetragen werden, zwischen dem Kontrollring und der drehbaren Düsenanordnung zu gestatten.
Vorzugsweise ist der Körper des Fluidbohrkopfes, der sich relativ zu der Richtung des Vortriebs des Bohrkopfes hinter dem Kontrollring befindet, längs gerillt, wobei die Rillen Längskanäle für den Durchgang der Gesteinspartikel entlang der Länge des Bohrkopfes bereitstellen.
Vorzugsweise sind die Kanäle durch Längsrippen getrennt, welche bemessen und konfiguriert sind, um einen gewünschten Grad an lateraler Ausrichtung des Bohrkopfes innerhalb der durch die Tätigkeit des Bohrkopfes gebildeten Bohrung bereitzustellen.
Vorzugsweise ist die drehbare Düsenanordnung von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration und abgestuft, um Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser zu inkorporieren, so dass sich die Auslässe der Düsen, die sich in den unterschiedlichen Abschnitten befinden, auf unterschiedlichen Radien von der Drehachse der drehbaren Düsenanordnung befinden.
Vorzugsweise weist die zylindrische drehbare Düsenanordnung Abschnitte zweier unterschiedlicher Durchmesser auf, wobei es einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser neben der Vorderfläche der drehbaren Düsenanordnung und einen Abschnitt mit größerem Durchmesser neben dem Kontrollring gibt.
Vorzugsweise inkorporiert der Abschnitt mit kleinerem Durchmesser der drehbaren Düsenanordnung eine oder mehrere nach vorne abgewinkelte Düsen, die angepasst sind, um Gestein vor der Vorwärtsbewegung des Fluidbohrkopfes abzutragen.
Vorzugsweise inkorporiert der Abschnitt mit größerem Durchmesser mindestens eine Nachräumdüse, die angeordnet ist, um einen Fluidstrahl gegen die Peripherie des Bohrlochs unmittelbar vor der Vorderkante des Kontrollrings zu lenken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ungeachtet irgendwelcher anderer Formen, die in ihren Bereich fallen, wird nun eine bevorzugte Form der Erfindung lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Seitenansicht des Fluidbohrkopfes gemäß der Erfindung ist und
2 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Fluidbohrkopfes ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In der bevorzugten Form der Erfindung ist das Vorderende eines Fluidbohrkopfes, der im Allgemeinen bei 1 gezeigt ist, mit einer drehbaren Düsenanordnung 2 versehen, die von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration ist, wie in 2 deutlich zu sehen ist. Die drehbare Düsenanordnung inkorporiert eine Anzahl an Düsen 3, 4, 5 und 6, aus denen Hochdruckstrahlen 7 eines Fluids, typischerweise Wasser, austreten. Der Druck der Strahlen ist ausreichend, um für die Bildung einer Bohrung durch Gestein auf die in der australischen Patentschrift 700032 beschriebene Art und Weise das Gestein in dem Bereich des Bohrkopfes abzutragen.
In der vorliegenden Erfindung ist die drehbare Düsenanordnung 2 in zwei Abschnitte abgestuft, die einen Vorderabschnitt mit geringerem Durchmesser 8 und einen nachfolgenden Abschnitt mit größerem Durchmesser 9 aufweisen. Es versteht sich, dass die Düsenanordnung in eine größere Anzahl von abgestuften Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser aufgeteilt werden könnte, wäre dies erwünscht.
Auf diese Weise ist jeder Strahl 7 in einer Vielfalt von Radien von der Drehachse der drehbaren Düsenanordnung 2 positioniert, und jeder Strahl ist so abgewinkelt, dass sich seine effektive Schneidezone mit der effektiven Schneidezone der angrenzenden Strahlen überschneidet, oder, in dem Fall des am weitesten außen, aus der Düse 6 austretenden Strahls, sich die effektive Schneidezone zum äußeren Durchmesser eines Kontrollrings 10, der nachfolgend weiter beschrieben wird, erstreckt.
Der Fluidbohrkopf ist des Weiteren mit einem Kontrollring 10 versehen, der von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration ist und einen inneren ringförmigen Zwischenraum 11 zu dem Abschnitt 9 mit dem größten Durchmesser der drehbaren Düsenanordnung aufweist. Der ringförmige Zwischenraum 11 ist bemessen, um den Fluss von Gesteinspartikeln, die größer als eine vorbestimmte Größe sind und durch die Schneidetätigkeit der Fluidstrahlen 7 abgetragen werden, zwischen dem Kontrollring 10 und der drehbaren Düsenanordnung zu regeln.
Der Körper des Fluidbohrkopfes, der sich relativ zu der Richtung des Vortriebs des Bohrkopfes, wie durch den Pfeil 13 gezeigt, in der Region 12 hinter dem Kontrollring 10 befindet, ist längs gerillt. Die Rillen stellten Längskanäle 14 bereit, die durch Längsrippen 15 getrennt sind, welche sich über die Länge des Fluidbohrkopfes der Art, die in AU700032 beschrieben ist, erstrecken. Obwohl der Rest des Fluidbohrkopfes in den begleitenden Zeichnungen nicht gezeigt ist, versteht es sich, dass sich die gerillte Konfiguration rückwärts deutlich über den in den Zeichnungen gezeigten Abschnitt hinaus erstreckt und gerade, spiralförmig oder von jeder anderen gewünschten Konfiguration sein kann.
Die Längskanäle 14 stellen einen freien Durchgang für Gesteinspartikel bereit, die von dem Wasser, das als Strahlen 7 ausgetreten ist, an dem Bohrkopf vorbei gespült werden, während die Rippen 15 die Gesteinspartikel nicht nur lenken, sondern auch dazu dienen, den Bohrkopf innerhalb der Bohrung, welche durch die Abtragtätigkeit der Strahlen 7 gebildet worden ist, auszurichten. Auf diese Weise ist es möglich, die Größe und die Konfiguration der Rippen 15 maßgerecht zu machen, insbesondere relativ zu dem Gesamtdurchmesser des Kontrollrings 10, um den Grad des Kippens des Bohrkopfes innerhalb der Bohrung zu begrenzen.
Durch das Bereitstellen des Kontrollrings 10 kann sich der Fluidbohrkopf nicht innerhalb der Bohrung voran bewegen, bis die Peripherie der Bohrung durch die Tätigkeit des Strahls, der aus den Düsen 5 und 6 austritt, bis zu dem gewünschten Durchmesser ausreichend ausgeräumt worden ist. Der Strahl, der aus der Düse 6 austritt, ist orientiert, um sich zu dem Kontrollringdurchmesser zu erstrecken, und die Kombination aus den Nachräumstrahlen und dem Kontrollring stellt eine saubere und relativ einheitliche Bohrung in dem Gestein bereit.
Der Kontrollring ist effektiv, um die Vorwärtsbewegung des Bohrkopfes zu regeln, was das übermäßige Nachräumen der Gesteinsbohrung in Bereichen weicheren Gesteins verhindert, indem ein schnellerer Vortrieb des Kopfes ermöglicht wird.
Der Entwurf des Kontrollrings, des Schneidekopfes und des Werkzeugkörpers zielt darauf hin, das Problem der Bohrerblockierung zu eliminieren. Da die Vorderkante des Kontrollrings 10 einen externen Durchmesser aufweist, der geringfügig größer als der Durchmesser des Bohrwerkzeugkörperteilbereichs ist, setzt dies eine erhöhte untere Grenze des äquivalenten Durchflussquerschnitts des Ringraums, der zwischen dem Körper des Bohrwerkzeugs und der Bohrlochwand gebildet ist, fest.
Des Weiteren erhöht die Bereitstellung der Flusskanäle 14 entlang dem Körper des Werkzeugs den äquivalenten Durchflussquerschnitt des Ringraums, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Bohrerblockierung reduziert wird.
Der zwischen der Innenseitenoberfläche des Kontrollrings und dem Abschnitt mit größerem Durchmesser des Schneidekopfes gebildete Ringraum begrenzt auch die Größe der Bohrkleinpartikel, die zwischen dem Bohrwerkzeugkörper und der Bohrlochwand zu der Ringraumregion durchgehen können. Partikel, die zu groß sind, bleiben vor dieser inneren Ringraumregion, wo sie durch die Tätigkeit der Wasserstrahlen, insbesondere des Strahls Nummer 6, weiter aufgebrochen werden können. Auf diese Art und Weise können die Partikel, die entlang dem Körper des Werkzeugs durchgehen, durch das geeignete Auswählen des relativen Durchmessers des größten Abschnitts des Schneidekopfes und der inneren Oberfläche des Kontrollrings so geeignet bemessen werden, dass sie ungehindert entlang den Flusskanälen durchgehen können. Dies eliminiert die Möglichkeit, dass diese Partikel den äquivalenten Durchflussquerschnitt des Ringraums zwischen dem Bohrwerkzeug und der Bohrlochwand reduzieren.
Durch das Bereitstellen einer abgestuften drehbaren Düsenanordnung 2 ist es möglich, die Nachräumdüse 6 enger als vorher möglich an der Fläche des Gesteins, das geschnitten wird, zu positionieren, wodurch die Wirksamkeit des Nachräumstrahls erhöht und ein schnellerer und einheitlicherer Vortrieb des Fluidbohrkopfes ermöglicht wird.
Die abgestufte drehbare Düsenanordnung ermöglicht auch, dass eine Anzahl der Nachräumstrahlen nach hinten abgewinkelt wird, wie in 1 für die Strahlen, die aus den Düsen 5 und 6 austreten, deutlich zu sehen ist. Dies verstärkt den Vorwärtsschub auf den Bohrkopf und trägt dazu bei, dem Rückwärtsschub von den Düsen 3 und 4 entgegen zu wirken.

Claims

Ein Fluidbohrkopf (1) der Art, die eine Vielzahl von Düsen (3, 4, 5, 6) in einer drehbaren Düsenanordnung (2) aufweist, wobei die Düsen (3, 4, 5, 6) angepasst sind, um mit Hochdruckfluid versorgt zu werden, das Strahlen (7) bildet, die positioniert sind, um benachbartes Gestein zu schneiden, und die abgewinkelt sind, um eine reaktive Kraft bereitzustellen, welche angeordnet ist, um die Düsenanordnung (2) zu drehen, gekennzeichnet durch die Bereitstellung eines Kontrollrings (10), der sich relativ zu der drehbaren Düsenanordnung (2) konzentrisch befindet und relativ zu der Richtung des Vortriebs des Bohrkopfes (1) hinter den Strahlen (7) positioniert ist, wobei der Kontrollring (10) einen Gesamtumfang aufweist, der so bemessen ist, dass er in den gewünschten Teilbereich der von dem Bohrkopf (1) gebohrten Bohrung passt, wobei der Kontrollring (10) einen ringförmigen Zwischenraum (11) zu der drehbaren Düsenanordnung (2) aufweist.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Kontrollring (10) von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration ist und wobei der Zwischenraum (11) bemessen ist, um den Fluss von Gesteinspartikeln, die durch die Schneidetätigkeit der Fluidstrahlen (7) abgetragen werden, zwischen dem Kontrollring (10) und der drehbaren Düsenanordnung (2) zu gestatten.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Körper des Fluidbohrkopfes (1), der sich relativ zu der Richtung des Vortriebs des Bohrkopfes hinter dem Kontrollring (10) befindet, längs gerillt ist, wobei die Rillen Längskanäle (14) für den Durchgang der Gesteinspartikel entlang der Länge des Bohrkopfes (1) bereitstellen.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 3, wobei die Kanäle (14) durch Längsrippen (15) getrennt sind, welche bemessen und konfiguriert sind, um einen gewünschten Grad an lateraler Ausrichtung des Bohrkopfes (1) innerhalb der durch die Tätigkeit des Bohrkopfes (1) gebildeten Bohrung bereitzustellen.
Fluidbohrkopf (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drehbare Düsenanordnung (2) von im Allgemeinen zylindrischer Konfiguration und abgestuft ist, um Abschnitte (8, 9) unterschiedlicher Durchmesser zu inkorporieren, so dass sich die Auslässe der Düsen (3, 4, 5, 6), die sich in den unterschiedlichen Abschnitten (8, 9) befinden, auf unterschiedlichen Radien von der Drehachse der drehbaren Düsenanordnung (2) befinden.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 5, wobei die zylindrische drehbare Düsenanordnung (2) Abschnitte zweier unterschiedlicher Durchmesser (8, 9) aufweist, wobei es einen Abschnitt (8) mit kleinerem Durchmesser neben der Vorderfläche der drehbaren Düsenanordnung (2) und einen Abschnitt (9) mit größerem Durchmesser neben dem Kontrollring (10) gibt.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 6, wobei der Abschnitt (8) mit kleinerem Durchmesser der drehbaren Düsenanordnung (2) eine oder mehrere nach vorne abgewinkelte Düsen (3, 4) inkorporiert, die angepasst sind, um Gestein vor der Vorwärtsbewegung des Fluidbohrkopfes (1) abzutragen.
Fluidbohrkopf (1) gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der Abschnitt (9) mit größerem Durchmesser mindestens eine Nachräumdüse (6) inkorporiert, die angeordnet ist, um einen Fluidstrahl (7) gegen die Peripherie des Bohrlochs unmittelbar vor der Vorderkante des Kontrollrings (10) zu richten.