Stabilisator für Bohrgarnituren

Abstract

 Der Stabilisator für Tiefbohrwerkzeuge besteht aus einem Grundkörper (1) mit auf seinem Umfang spiralförmig ange­ordneten Stabilisatorflossen (2), die zwischen sich Spü­lungskanäle (3) begrenzen und mit der Bohrlochwand in Berührung kommende, verschleißfeste Außenflächen (4) besitzen. Die Außenflächen (4) haben einen Hauptbereich (5) und an die Spülungskanäle (3) angrenzende Randbe­reiche, wobei der Hauptbereich (5) durch eine zur Längsachse des Stabilisators rotationssymmetrische Um­hüllende (7) beschrieben ist. Zur Vermeidung eines Blockierens des Stabilisators oder eines Abtragens der Formation bei reiner Längsverschiebung des Stabilisators bildet der in Richtung (13) auf die Bohrlochsohle wei­sende Randbereich (6) einen gegenüber der Umhüllenden (7) nach innen eingezogenen Übergangsbereich (6).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für Tiefbohr­werkzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Ein derartiger Stabilisator wird in vorgegebenen Abstän­den in das Tiefbohrwerkzeug bzw. dessen Bohrrohrstrang eingefügt oder auf diesem angeordnet, um den Verlauf der Bohrrichtung steuern zu können, den Meißel am seitlichen Driften zu hindern und die Bohrleistung durch Zentrieren des Meißels um seine Rotationsachse zu steigern. Handelt es sich um ein Tiefbohrwerkzeug mit Meißeldirektantrieb, mit dem sowohl Richtbohr- als auch Geradeausbohrarbeiten durchgeführt werden können, so ist zwischen zwei Be­triebsphasen zu unterscheiden, nämlich einer Richtbohr­phase, in der der Stabilisator ohne Mitdrehen mit seinen Außenflächen in Längsrichtung entlang der Bohrlochwand verschoben wird, und einer Geradeausbohrphase, in der der Stabilisator zusätzlich zur Längsverschiebung mitge­dreht wird. Um einen ungehinderten Durchtritt der im Bohrlochringraum aufwärtsstromenden Spülungsflüssigkeit zu erhalten, ist der Stabilisator auf seinem Umfang mit Stabilisatorflossen versehen, deren Außenflächen nur in einem begrenzten Bereich der umhüllenden Oberfläche mit der Bohrlochwand in Berührung stehen und zwischen sich Spülungskanäle begrenzen. Bei geneigten Bohrlöchern und damit einhergehender einseitiger radialer Belastung des Stabilisators wird eine sichere Zentrierung dadurch er­reicht, daß die Stabilisatorflossen spiralförmig ausge­bildet sind und somit in jeder Drehlage des Stabilisa­tors eine Anlagefläche mit der Bohrlochwand bieten. Die Spirale kann als eine links- oder rechtsdrehende Spirale ausgefuhrt sein.

[0003] Insbesondere bei reiner Längsverschiebung im Bohrloch, wie sie vor allen bei Richtbohrarbeiten vorkommen, nei­gen die Stabilisatorflossen dazu, mit ihren an die Spü­lungskanäle angrenzenden Randbereichen in die Formation einzudringen und die Weiterbewegung zu blockieren oder die Formationen in unerwünschter Weise abzutragen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stabilisator der eingangs genannten Art mit spiralförmig angeordneten Stabilisatorflossen so auszubilden, daß bei reiner Längsverschiebung des Stabilisators im Bohrloch während Bohrarbeiten ein Blockieren des Stabilisators oder ein Abtragen der Formation vermieden ist.

[0004] Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem Stabilisator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen. Hin­sichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Patent­ansprüche 2 bis 10 verwiesen.

[0005] Bei einem Stabilisator mit axial verlaufenden Stabilisa­torflossen gemäß der FR-A-1 521 208 ist es zwar bekannt, die in Drehrichtung des Stabilisators vorlaufende Kante abzuschrägen, um so ein Übergleiten der Stabilisator­flossen über die Formation der Bohrlochwand zu erleich­tern. Wegen der axialen Ausrichtung der Stabilisator­flossen können die Randbereiche aber bei reiner Längs­verschiebung des Stabilisators im Bohrloch ohnehin nicht in die Formation eindringen.

[0006] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­gen

Fig. 1 bis 3 drei unterschiedliche Ausführungen des erfindungsgemäßen Stabilisators mit rechtsdrehender Spirale in Seitenansicht,

Fig 4 einen Querschnitt durch den mittleren Be­reich der Stabilisatoren gemäß Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 bis 7 verschiedene Ausgestaltungen des Übergangs­bereichs von Stabilisatorflossen in abge­brochenen Querschnitten, und

Fig. 8 eine Stabilisatorflosse in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, zur Veranschau­lichung eines speziellen Konturverlaufes.

[0007] Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Stabilisatoren haben jeweils einen Grundkörper 1, auf dessen Umfang mehrere, z.B. drei Stabilisatorflossen oder -rippen 2 angeordnet sind. Diese sind in Form einer rechtsdrehen­den Spirale ausgebildet und begrenzen zwischen sich je­weils einen Spülungskanal 3 für den Durchtritt von im Bohrlochringraum aufwärtsströmender Spülungsflüssigkeit. Durch die spiralförmige Ausbildung der Stabilisatorflos­sen 2 wird erreicht, daß in jeder Drehlage des Stabili­sators ein Kontakt zwischen den Stabilisator-Außen­flächen 4, der Stabilisatorflossen 2 und der Bohrloch­wand besteht, sei es, daß die Außenfläche 4 nur einer Stabilisatorflosse 2 an der Bohrlochwand zur Anlage kommt, sei es, daß die Außenflächen 4 der sich über­lappenden Enden von zwei Stabilisatorflossen 2 gemeinsam eine Anlagefläche bilden.

[0008] Die Ausgestaltung der Außenflächen 4 der Stabilisator­flossen 2 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Wie sich aus der Querschnittsdarstellung ergibt, hat die Außenfläche 4 einen Hauptbereich 5 und einen an einen Spülungskanal angrenzenden Übergangsbereich 6. Dabei wird der Hauptbe­reich 5 durch eine rotationssymmetrische Umhüllende 7 beschrieben, und der Übergangsbereich 6 ist gegenüber der Umhüllenden 7 nach innen, also zur Werkzeugachse hin, eingezogen bzw. gerichtet. Als Übergangsbereich 6 im vorstehenden Sinne ist derjenige Randbereich ausge­bildet, der in Richtung 13 auf die Bohrlochsohle weist. Wird der Stabilisator ohne Mitdrehen in Pfeil-Richtung 13 axial in Richtung des Bohrfortschritts verschoben, so übergleitet der Übergangsbereich 6 die Formation der Bohrlochwandung, ohne daß es zu einem Eindringen in die Formation kommen kann. Ein Blockieren des Stabilisators oder ein Abtragen der Formation wird dadurch vermieden.

[0009] Fur die Ausbildung des Übergangsbereiches 6 sind in den Fig. 5 bis 7 drei Beispiele veranschaulicht. In Fig. 5 ist der Übergangsbereich 6 gegenüber dem Hauptbereich 5 abgeknickt und verläuft ebenflächig, d.h. in der Quer­schnittsdarstellung geradlinig. In Fig. 6 ist der Über­gangsbereich 6 als gekrümmte Fläche dargestellt, und zwar mit einem gleichbleibenden Krümmungsradius 8. In Fig. 7 bildet der Übergangsbereich ebenfalls eine ge­krümmte Fläche, jedoch mit einem zum benachbarten Spü­lungskanal 3 hin kleiner werdenden Krümmungsradius. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der drei Aus­führungen möglich oder auch Verläufe, die einer anderen mathematischen Funktion folgen, soweit sie nach innen gerichtet sind.

[0010] Für den Einsatz beim Richtbohren von Bohrlöchern kann es zweckmäßig sein, der Umhüllenden 7 eine von der bevor­zugten zylindrischen Form abweichende Oberfläche zu ge­ben. Dabei sind solche Gestaltungen zweckmäßig, bei de­nen sich die Umhüllende 7 zumindest zu einem Ende des Stabilisators, vorzugsweise jedoch zu beiden Enden hin verjüngt, d.h. der Werkzeugachse annähert. In Fig.2 ist ein Stabilisator so ausgeführt, daß die Umhüllende 7 der Außenflächen 4 der Stabilisatorflossen nur in einem mittleren Bereich 10 des Stabilisators zylindrisch aus­gebildet ist, in Bereichen 11 und 12 zu den Enden des Stabilisators hin jedoch konisch ist. Die Konusbereiche 11 und 12 können dabei symmetrisch oder auch, wie in Fig. 2 gezeigt ist, unsymmetrisch ausgeführt sein. Fig. 3 zeigt schließlich eine Umhüllende 7, die ballig aus­gebildet ist.

[0011] Neben den in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungen sind auch solche denkbar, bei denen die Umhüllende 7 eine Kombination aus zylindrischen, konischen und balligen Bereichen aufweist oder auch einer anderen mathema­tischen Funktion folgt, sofern sich die Umhüllende 7 zu wenigstens einem der Endbereiche verjüngt.

[0012] Wird ein Stabilisator mit einer solchen Umhüllenden 7 ausgeführt, so kann es ausreichend sein, den Übergangs­bereich 6 der Stabilisatorflossen 2 lediglich im mittle­ren und unteren Bereich 10,12 des Stabilisators vorzu­sehen und im oberen Bereich 11 die Außenfläche 4 in ge­samter Breite rotationssymmetrisch auszubilden, wie das in Fig. 2 angedeutet ist. Wie die Fig. 8 veranschau­licht, ergibt sich für die Stabilisatorflossen 2 je nach Gestaltung der Umhüllenden 7 eine Kontur, die nicht nur einfache Konusbereiche an ihren Enden, sondern statt dessen auch komplexere Begrenzungen aufweisen kann. So ist die Stabilisatorflosse 2, die über einen Stützkörper 14 auf dem Grundkörper 1 befestigt sein kann, im Bereich ihres oberen Endes mit einer konischen Schrägfläche 15 versehen,die mit einem nach unten hin in Richtung des Pfeiles 13 angrenzenden Teilbereich 16 der Außenfläche 4 der Stabilisatorflosse 2 einen Winkel 17 einschließt, der zwischen 30 und 45° liegen kann. An diesen Teilbe­reich 16 der Außenfläche 4 kann sich mit sehr spitzem Winkel noch ein weiterer Teilbereich 18 anschließen, der mit dem Teilbereich 16 eineb Winkel 19 von 1 bis 4°, vorzugsweise 2° einschließt. Eine erste untere Schräg­fläche 20 verläuft zum Teilbereich 18 unter einem Winkel 21 in der Größenordnung von 6 bis 15°, und die erste untere Schrägfläche 20 kann in eine zweite untere Schrägfläche 22 übergehen, die mit der Oberfläche des Stützkörpers 14 einen Winkel 23 von etwa 30 bis 45° ein­schließt. Im übrigen ist die in Fig. 8 veranschaulichte Stabilisatorflosse 2 mit einer Beschichtung 24 aus Hart­material versehen, die sich lediglich über die Teilbe­reiche 16,18 und 20 der Außenfläche 4 erstreckt.

Ansprüche

1. Stabilisator fur Tiefbohrwerkzeuge, bestehend aus einem Grundkörper (1) mit auf seinem Umfang spiralförmig angeordneten Stabilisatorflossen oder -rippen (2), die zwischen sich Spülungskanäle (3) begrenzen und mit der Bohrlochwand in Berührung kommende, verschleißfeste Außenflächen (4) besitzen, die einen Hauptbereich (5) und an die Spülungskanäle (3) angrenzende Randbereiche aufweisen, wobei der Hauptbereich (5) durch eine zur Längsachse des Stabilisators rotationssymmetrische Um­hüllende (7) beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in Richtung (13) auf die Bohrlochsohle weisende Randbereich (6) einen gegenüber der Umhüllenden (7) nach innen eingezogenen Übergangsbereich bildet.

2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (6) einen ebenflächigen Verlauf aufweist.

3. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (6) eine gekrümmte Fläche mit gleichbleibendem Krümmungsradius (8) darbietet.

4.Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (6) gekrümmte Fläche mit zum Spülungskanal (3) hin kleiner werdendem Krümmungsradius (9) darbietet.

5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) des Haupt­bereichs (5) zylindrisch ist.

6. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) nur in einem mittleren Bereich (10) zylindrisch und in wenig­stens einem der zu den Enden des Grundkörpers (1) hin weisenden Bereiche (11,12) konisch und/oder ballig aus­gebildet ist.

7. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Umhüllende (7) insgesamt ballig ausgebildet ist.

8. Stabilisator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Radius (8,9) des Übergangsbereiches 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 mm beträgt.

9. Stabilisator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorflosse (2) eine aus in axialer Richtung (13) aneinandergrenzenden Teilbereichen (15,16,18,20,22) zusammengesetzte Kontur aufweist.

10. Stabilisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­net, daß die Teilbereiche (15,16,18,20,22) unter spitzen Winkeln (17,19,21) zueinander verlaufen.

Zeichnung