Verfahren und Vorrichtung zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen

Abstract

 Zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen durch ein mit dem sohlenseitigen Ende eines rotierend angetriebenen Bohrrohrstranges (1) verbundenes Bohrwerkzeug (4) mit einem in dessen Gehäuse untergebrachten Antriebsmotor für den Bohrmeißel (7) wird der Bohrrohrstrang (1) durch den Antriebsmotor des Bohrwerkzeugs (4) in Linksdrehung rotierend angetrieben. Der Antriebsmotor (6) des Bohrwerkzeugs (4) ist dabei für den Antrieb des Bohrmeißels (7) in Rechtsdrehung und einen gleichzeitigen Drehantrieb des Bohrrohrstranges (1) in Linksdrehung ausgelegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen durch ein mit dem sohlenseitigen Ende eines rotierend angetriebenen Bohrrohrstranges verbundenes Bohrwerkzeug mit einem in dessen Gehäuse untergebrachten Antriebsmotor für den Bohrmeißel.

[0002] Beim Abteufen von Bohrungen in unterirdische Formationen mit einem Bohrwerkzeug der genannten Art wird zur Herabsetzung der Reibung zwischen der Formation und dem Bohrrohrstrang und zum Aufbringen eines Gegendrehmomentes für das Gehäuse des Bohrwerkzeugs der Bohrrohrstrang üblicherweise in eine rechtsgerichtete und damit zur Drehrichtung des Bohrmeißels gleichgerichtete, in der Regel relativ langsame Umdrehung versetzt, die die vom Antriebsmotor des Bohrwerkzeugs erzeugte Drehzahl des Bohrmeißels erhöht. Das vom Bohrrohrstrang auf das Gehäuse des Bohrwerkzeugs ausgeübte Drehmoment vermindert sich jedoch wegen der Reibwirkung der Formation auf den Bohrrohrstrang mit zunehmender Länge des Bohrrohrstranges, so daß vom Bohrrohrstrang auf das Gehäuse des Bohrwerkzeugs nur ein fortschreitend abnehmender Bruchteil des übertage eingeleiteten Drehmoment übertragen wird und als Gegendrehmoment für den Antriebsmotor zur Verfügung steht. Eine Erhöhung des übertage eingeleiteten Drehmoments ist aus Festigkeitsgründen nur begrenzt möglich.

[0003] Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem einer Verbesserung der Drehmomentbeaufschlagung von Bohrrohrstrang und Bohrwerkzeug. Sie löst das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 15 verwiesen.

[0004] Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung verlegen bei gleicher maximaler Drehmomentbelastung des Bohrrohrstranges, die Einleitungsstelle für das den Bohrrohrstrang in Umdrehung versetzende Drehmoment an das bohrlochseitige Ende des Bohrrohrstranges mit der Folge, daß dort ein hohes Gegendrehmoment für die Beaufschlagung des Drehbohrmeißels zur Verfügung steht. Dies ermöglicht wesentlich höhere Bohrleistungen und die Erzielung höherer Reichweiten, da am obertägigen Ende des Bohrrohrstranges kein Restmoment als Gegendrehmoment benötigt wird und dementsprechend das gesamte, am bohrlochseitigen Ende in den Bohrrohrstrang zu dessen Umdrehung eingeleitete Drehmoment zur Reibkraftüberwindung eingesetzt werden kann.

[0005] Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher veranschaulicht, in der eine Vorrichtung zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen schematisch näher veranschaulicht ist.

[0006] Die dargestellte Vorrichtung umfaßt im einzelnen einen Bohrrohrstrang 1, der aus einzelnen, untereinander verbundene Bohrrohrabschnitten 2,3 zusammengesetzt wird und an seinem unteren Ende mit einem Bohrwerkzeug 4 verbunden ist. Im Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 ist ein Antriebsmotor, vorzugsweise ein hydraulischer, mit Bohrspülung betriebener Antriebsmotor 6, untergebracht und abgestützt, dessen Antriebswelle 6' aus dem Gehäuse 5 unter einem kleinen spitzen Winkel zur Mittelachse des Gehäuses herausgeführt ist und an ihrem äußeren Ende einen Bohrmeißel 7 trägt.

[0007] Die Bohrrohrabschnitte 2,3 können untereinander in herkömmlicher Weise durch Verschrauben verbunden sein, jedoch besteht auch die Möglichkeit, eine Verbindung 8 zwischen den Bohrrohrabschnitten 2,3 vorzusehen, die in beiden Drehrichtungen belastbar ist und beispielsweise als Keilverbindung ausgebildet ist, die durch eine Überwurfmutter 9 gesichert ist. Diese wird auf einen Außengewindeteil 10 des Bohrrohrabschnitts 3 aufgeschraubt, wie dies schematisch in der Einzelheit E1 näher veranschaulicht ist. Grundsätzlich ist jede Art einer in beiden Drehrichtungen belastbaren Verbindung einsetzbar.

[0008] Der Bohrrohrstrang 1 erstreckt sich obertägig durch einen Übertageantrieb, beispielsweise einen schematisch bei 13 angedeuteten Drehtisch, mit dessen Hilfe der Bohrrohrsstrang 1 wahlweise in beiden Drehrichtungen antreibbar ist. Bevorzugt ist obertägig auch eine Übertagebremse vorgesehen, die schematisch bei 14 veranschaulicht ist und mit der Außenwandung des Bohrrohrstranges in einem obertägigen Bereich zusammenwirkt. Die Bremsvorrichtung kann beispielsweise eine mittels eines Hebels 12 gegen die Außenwandung des Bohrrohrstranges 1 einrückbare Bremsbacke 11 umfassen, wie dies in der Einzelheit E2 schematisch veranschaulicht ist, kann aber auch eine mit dem Drehantrieb 13 kombinierte Ausführung haben.

[0009] Wie der Zeichnung weiter entnommen werden kann, ist das Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 mit einer Bremsvorrichtung 15 versehen, die, wie das in der Einzelheit E3 schematisch näher veranschaulicht ist, beispielsweise in Eingriff mit der Bohrlochwandung ausfahrbare Bremsglieder 16 aufweisen kann. Auch der Schaftteil des Bohrmeißels 7 kann mit einer Bremsvorrichtung 17 versehen sein, die gegen die Bohrlochwandung einrückbare Bremsglieder 16 umfaßt, wie sie in der Einzelheit in E3 schematisch angedeutet sind. Die Bremsglieder 16 können als Bremsbacken oder -rippen ausgeführt sein.

[0010] Der Bohrmeißel 7 ist bevorzugt mit Schneidgliedern 18 bzw. 19 besetzt, die einen Anstellwinkel 20 aufweisen, der zwischen einem kleinen negativen und einem kleinen positiven Wert liegen kann, wie dies die Einzelheit E4 andeutet. Eine solche Ausführung erbringt angesichts der hohen, zur Verfügung stehenden Antriebsleistung für den Bohrmeißel 7 einen weiteren Beitrag zu einem erhöhten Bohrfortschritt.

[0011] Der Antriebsmotor 6 des Bohrwerkzeugs 4 weist eine Auslegung für eine vergleichsweise höhere Leistung auf, so daß der Antriebsmotor zugleich den Bohrmeißel 7 in Rechtsdrehung und den Bohrrohrstrang 1 in Linksdrehung antreiben kann. Die Linksdrehung des Bohrrohrstranges 1 erfolgt vorteilhaft mit einer Geschwindigkeit, die einen Bruchteil der Drehgeschwindigkeit des Bohrmeißels 7 beträgt. Bei einem Richtbohrwerkzeug, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, wird der Bohrrohrstrang 1 in der Regel bei Geradeausbohrarbeiten in Linksdrehung versetzt.

[0012] In Fällen, in denen die Formation auf den Bohrrohrstrang 1 nur geringe Reibung ausübt, kann durch den Einsatz der Bremsvorrichtung 14 ein der Linksdrehung des Bohrrohrstranges 1 entgegenwirkendes Drehmoment erzeugt werden, das die fehlende, für den Aufbau eines erwünschten Gegendrehmoments am Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 erforderliche Formationsreibung auf den Bohrrohrstrang 1 substituiert. Das über die Bremsvorrichtung 14 in den Bohrrohrstrang obertägig eingetragene Bremsmoment kann stufenlos verändert werden, um allen Gegebenheiten Rechnung zu tragen, und wird jedenfalls dann angelegt, wenn die Drehzahl der Linksdrehung des Bohrrohrstranges 1 einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet.

[0013] In Fällen, in denen die Formation eine sehr hohe Reibwirkung auf den Bohrrohrstrang ausübt, kann es wünschenswert sein, in den Bohrrohrstrang 1 obertägig ein in Linksdrehrichtung wirkendes Drehmoment durch den Antrieb 13 einzutragen, um den Antriebsmotor 6 im Bohrwerkzeug 4 zu unterstützen.

[0014] Sofern aufgrund einer von der Formation auf den Bohrrohrstrang 1 ausgeübten geringen Reibung der Bohrrohrstrang 1 für sein Linksdrehen ein nur geringes Drehmoment benötigt, das als Gegendrehmoment für den Antrieb des Bohrmeißels bei einem gewünschten Bohrfortschritt nicht ausreicht, kann zusätzlich zum Einsatz der Bremsvorrichtung 14 oder anstelle eines Einsatzes dieser Bremsvorrichtung 14 die auf dem Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 vorgesehene, aber auch an beliebiger Stelle des Bohrrohrstranges vorsehbare Bremsvorrichtung 15 in Betrieb gesetzt werden, um das für eine hohe Bohrleistung benötigte Gegendrehmoment für den Antriebsmotor 6 zu erzeugen. Der Einsatz der Bremsvorrichtung 15 hat dabei den Vorzug, daß die Drehzahl der Linksdrehung des Bohrrohrstranges 1 ohne die obertägige Beaufschlagung des Bohrrohrstranges 1 mit einem entsprechenden, von der Bremsvorrichtung 14 aufgebrachten Drehmoment reguliert werden kann. Auch die Bremsvorrichtung 15 kann als Drehzahlbegrenzer für den Bohrrohrstrang 1 eingesetzt werden.

[0015] Ergibt sich, daß der Bohrrmeißel 7 keinen hinreichenden Widerstand in der Formation findet, um ein zur Linksdrehung des Bohrrohrstranges 1 benötigtes Drehmoment als Gegendrehmoment zu erzeugen, so kann mit Hilfe der Bremsvorrichtung 17 auf dem Schaft des Drehbohrmeißels 7 infolge der Bremswirkung gegenüber der Bohrlochwandung ein benötigtes Drehmoment aufgebaut werden, das als Gegendrehmoment für den Antrieb des Bohrrohrstranges 1 dienen kann. Auch die Bremsvorrichtung 17 ist wie schon die Bremsvorrichtungen 14 und 15 stufenlos regulierbar, so daß über die Bremsvorrichtungen 14,15,17 einzelnen oder gemeinsam eine Feinabstimmung der jeweils wünschenswerten Drehmomentbeaufschlagung von Bohrmeißel 7 und Bohrrohrstrang 1 herbeigeführt werden kann.

[0016] Würde beispielsweise bei einem konventionellen Abteufen einer Bohrung der obertägige Antrieb 13 einen Bohrrohrstrang 1 in Rechtsdrehung mit einer Drehzahl von 60 UpM antreiben, würde ferner der Antriebsmotor 6 des Bohrgerätes 4 den Bohrmeißel 7 relativ zum Gehäuse 5 mit 200 UpM in Rechtsdrehung versetzen, und würde obertägig der Bohrrohrstrang 1 mit einem Drehmoment von 40.000 Nm beaufschlagt, von dem wegen der Reibung des Bohrrohrstranges 1 in der Formation am Übergang zum Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 noch 10.000 Nm verbleiben, so würde die Antriebsleistung an dem mit 260 UpM gegenüber der Formation in Rechtsdrehung umlaufenden Bohrmeißel 7 272 kW betragen.

[0017] Treibt der Antriebsmotor 6 des Bohrwerkzeugs 4 hingegen den Bohrrohrstrang 1 mit 20 UpM in Linksdrehung den Bohrmeißel 7 in bezug auf das Gehäuse 5 des Bohrwerkzeugs 4 mit 200 UpM in Rechtsdrehung an, und beaufschlagt der Antriebsmotor 6 dabei den Bohrrohrstrang 1 mit einem Drehmoment von 40.000 Nm, von denen wegen der Reibung des Bohrrohrstranges 1 in der Formation am obertägigen Ende noch 10.000 Nm zur Verfügung stehen, so beträgt die Antriebsleistung an dem relativ zur Formation mit 180 UpM in Rechtsdrehung umlaufenden Bohrmeißel 7 754 kW.

[0018] Wird schließlich der Bohrrohrstrang vom Antriebsmotor 6 des Bohrgerätes 4 mit 60 UpM in Linksdrehung angetrieben, so beträgt bei unverändert am unteren und oberen Ende des Bohrrohrstranges 1 anliegenden Drehmomenten die Leistung an einem mit 140 UpM relativ zur Formation in Rechtsdrehung umlaufenden Bohrmeißel 7 586 kW und damit immerhin noch etwa das Doppelte der bei herkömmlicher Rechtsdrehung des Bohrrohrstranges 1 von übertage her an den Bohrmeißel 7 anlegbaren Antriebsleistung.

[0019] Da am oberen Ende des Bohrrohrstranges 1 beim erfindungsgemäßen Verfahren kein Restdrehmoment anliegen muß, wie es beim herkömmlichen Verfahren mit übertägigen Rechtsdrehen des Bohrrohrstranges 1 am unteren Ende als Gegendrehmoment benötigt wird, können bei gleicher Maximalbelastung des Bohrrohrstranges Bohrungen mit erheblich größerer Reichweite abgeteuft werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen durch ein mit dem sohlenseitigen Ende eines rotierend angetriebenen Bohrrohrstranges verbundenes Bohrwerkzeug, insbesondere Richtbohrwerkzeug, mit einem in dessen Gehäuse untergebrachten Antriebsmotor für den Bohrmeißel des Bohrwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrrohrstrang durch den Antriebsmotor des Bohrwerkzeugs in Linksdrehung rotierend angetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Linksdrehbewegung des Bohrrohrstrangs einen Bruchteil der Drehgeschwindigkeit des Bohrmeißels beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrrohrstrang in einem obertägigen Bereich abgebremst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrrohrstrang in einem untertägigen Bereich gegenüber dem Bohrloch abgebremst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse des Bohrwerkzeugs gegenüber dem Bohrloch abgebremst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmeißel im Bereich seines Schaftes gegenüber dem Bohrloch abgebremst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung des Bohrrohrstranges bei Überschreiten einer vorgegebenen Höchstdrehzahl der Linksdrehung eingeschaltet wird.

8. Vorrichtung zum Abteufen einer Bohrung in unterirdische Formationen, mit einem rotierend antreibbaren Bohrrohrstrang (1) und einem Bohrwerkzeug (4), insbesondere Richtbohrwerkzeug, das mit dem sohlenseitigen Ende des Bohrrohrstranges (1) verbindbar und mit einem im Gehäuse (5) des Bohrwerkzeugs (4) angeordneten Antriebsmotor für den Bohrmeißel (7) des Bohrwerkzeugs (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (6) des Bohrwerkzeugs (4) für den Antrieb des Bohrmeißels (7) in Rechtsdrehung und einen gleichzeitigen Drehantrieb des Bohrrohrstranges (1) in Linksdrehung ausgelegt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmeißel (7) mit Schneidgliedern (18;19) mit einem Anstellwinkel (20) besetzt ist, der zwischen einem kleinen negativen und einem kleinen positiven Wert liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrrohrstrang (1) aus untereinander durch Verbindungsmittel (8;9,10,11,12) in beiden Drehrichtungen belastbar gekuppelten Rohrabschnitten (2,3) besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaffteil des Bohrmeißels (7) mit einer Bremsvorrichtung (17) mit gegen die Bohrlochwandung einrückbaren Bremsgliedern (16) versehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) des Bohrwerkzeugs (4) mit einer Bremsvorrichtung (15) mit gegen die Bohrlochwandung einrückbaren Bremsgliedern (16) versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsvorrichtung (15;17) in Eingriff mit der Bohrlochwandung ausfahrbare Bremsbacken aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch eine mit der Außenwandung des Bohrrohrstranges (1) in einem obertägigen Bereich zusammenwirkende, ortsfest abgestützte Bremsvorrichtung (14).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch einen obertägigen Drehantrieb (13) für den Bohrrohrstrang (1), durch den der Bohrrohrstrang (1) wahlweise in Links- oder Rechtsdrehung versetzbar ist.

Zeichnung