DE1458632C - Schwerstange zum Kernbohren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwerstange In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der

für die Verbindung mit Doppelmantelrohren beim Erfindung dargestellt. Darin ist

Kernbohren in insbesondere Gesteinsformationen mit Fig. I eine schematische Darstellung der Schwer-

cinem Innen- und einem Außenkanal und radial- stange in Verbindung mit dem Doppelmantelrohr

fräsenden, axialen Räumsegmenten, die sich bis 5 und der Bohreinrichtung,

zum Bohrkopf erstrecken und den offenen Quer- F i g. 2 ein Schnitt durch die Schwerstange,

schnitt zwischen Außenrohr und Bohrlochwand ver- Fig. 3 ein Schnitt nach Linie 5-5 von Fig. 2 und

ringern. ■ F i g. 4 eine Teilansicht und ein Teilschnitt einer

Bei einer bekannten Schwerstange dieser Art dient Tiefbohreinrichtung mit einer anderen Ausbildung eine oberhalb des Bohrkopfes befindliche Vorrich- io der erfindungsgemäßen Schwerstange,
tung der Beschwerung des Meißels und dem Nach- Gemäß Fig. 1 weist die Tiefbohreinrichtung ein räumen der Bohrlochwand. Diese Vorrichtung weist Bohrgerüst 1, ein Doppelmantelrohr 2 als Bohrrohrumlaufende Stabilisatoren auf. Die Bohrleistung einer gestänge 2, einen Bohrkopf 3, eine Antriebsvorrichderartigen Schwerstange läßt jedoch noch zu wün- tung 4 und ein Spülmittelumlaufsystem 5 auf.
sehen übrig, und beim Trockenspülen besteht die Ge- 15 Das Bohrrohrgestänge setzt sich aus einer Anzahl fahr, daß Feuchtigkeit zum Bohrgrund gelangt. Dar- Gestängeabschnitten zusammen, von denen jeder über hinaus ist eine Schwerstange mit einem Doppel- durch ein Außenrohr 7 und ein Innenrohr 8 gebildet mantelrohr bekannt, bei dem radial fräsende, axiale wird, die mittels Abstandhalter 9 zur Bildung eines Räumsegmente oberhalb der Schwerstange im Ab- Außenkanals 13 konzentrisch im Abstand gehalten stand vom Bohrkopf angeordnet sind. In den Raum 20 werden. Das Innenrohr 8 bildet einen Innenkanal 12. zwischen Bohrkopf und Räumsegmenten münden Die Innenrohre 8 und Außenrohre 7 sind nur an Kanäle. Mit dieser Vorrichtung ist die Bohrleistung einem Ende starr miteinander verbunden, beispielsungenügend, und es besteht die Gefahr, daß steh der weise durch Punktschweißen der rippenförmigen Ab-Bohrkopf oder die axialen Räumsegmente ver- standhalter mit dem Außenrohr 7, so daß. diese Rohre klemmen. 25 im wesentlichen über die volle Länge des Doppel-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mantelrohres 2 mit Ausnahme der Länge der Bohrleistung einer Schwerstange der eingangs ge- Schweißverbindung selbst mit Bezug aufeinander benannten Gattung zu verbessern. weglich sind. Dadurch werden Unterschiede in der

Die Erfindung besteht darin, daß im oberen Teil Wärmedehnung ausgeglichen, die durch die Strömung

der Schwerstange über dem Umfang verteilt Spülungs- 30 der Spülmittel mit verschiedenen Temperaturen

düsen im Außenrohr angebracht sind. durch die verschiedenen Kanäle, verursacht wer-

Dadurch gelingt es, die Räumsegmente selbst zu den. Auf dem einen Ende jedes Innenrohräbbespülen. Außerdem kann das Eindringen von Schnitts ist eine Muffe 15 durch Verschweißen Feuchtigkeit vermieden werden, wenn Trocken- bei 16 befestigt, so daß jede Muffe 15 zur Aufnahme Spülungen vorgenommen werden sollen. Durch die 35 des Innenrohres 8 eines benachbarten Gestänge-Spülungsdüsen kann ein Teil des Spülmittels aus dem abschnitts in teleskopischer Anordnung dient. Die Außenkanal in den Raum zwischen dem Außenrohr Innenrohre 8 sind so lang, daß sich die Außenrohre 7 und der Bohrlochwandung im Bereich der Räum- voll in Eingriff befinden, während ein schmaler Spalt segmente geleitet werden, so daß das Ausräumen er- 19 die Innenrohre 8 trennt, um die Wärme-oder Zugleichtert wird. Die Spülungsdüsen übernehmen dabei 40 dehnungen sowie Druck- und andere Wirkungen aufeine doppelte Aufgabe. Einerseits wird Spülmittel zunehmen, die eine Veränderung, in den relativen zum Bohrkopf geführt, so daß der Kern durch Unter- Längsverlagerungen der inneren und äußeren Rohrstützung dieses Spülmittels in den Innenkanal ge- . enden verursachen können. Die Enden der Innendrückt wird. Andererseits findet gleichzeitig eine rohre 8 verjüngen sich nach oben, wie bei 20 gezeigt, Spülung der Räumsegmente statt. Dabei ist es beson- 45 in der gleichen Richtung, so daß im schmalen Spalt ders zweckmäßig, die öffnungen der Spülungsdüsen 19 keine scharfen Ecken vorhanden sind, an denen zwischen die Räumsegmente zu richten. ' sonst ansteigende Kerne C verklemmen könnten.

Sofern nach einer weiteren Ausbildung der Erfin- Der vom unteren Ende des Doppelmantelrohres 2

dung die Spülungsdüsen selbst mit Schneidköpfen . getragene Bohrkopf 3 ist mittels einer Schwerstange

versehen sind, können diese„ zusätzlich als Hilfs- 50 21 befestigt, die ein Innenrohr 22 und ein Außenrohr

Räumsegmente dienen. 23 aufweist, die ebenfalls zusammenhängende Innen-

Sofern nach einer anderen Ausbildung der Erfin- und Außenkanäle bilden, die mit den Kanälen 12.und

dung die Öffnungen der Spülungsdüsen gegen den 13 in Verbindung stehen. Am unteren Ende der

Bohrlochmund gerichtet sind, wird Hochspülen von Schwerstange 21 befindet sich der Bohrkopf!. Er

Spülmitteln in den Ringraum zwischen Außenmantel 55 kann von beliebiger herkömmlicher Art sein, obwohl

und Bohrlochwand erleichtert und verhindert, daß konisch geschnittene Messer 24 gezeigt sind. Durch

beispielsweise Wasser oder Gas, das aus Taschen der den Bohrkopf 3 führen Kanäle 25, um die Strömung

erbohrten Erd- bzw. Gesteinformation 'ausbricht, des umlaufenden Spülmittels aus dem Außenkanal 13

zum Bohrlochgrund gelangt. Wenn der Ringraum zur Sohle des Bohrloches zu leiten,

zwischen Außenrohr und Bohrlochwandung zur 60 Obwohl im allgemeinen die Verwendung eines

Außenatniosphäre abgedichtet ist, kann der Druck in ringförrnigen Bohrkopfes, wie er zum Kernbohren

diesem Ringraum dadurch gesteuert werden, daß verwendet wird, vorgesehen wird, braucht natürlich,

mehr odur weniger viel Spül- bzw. Druckmittel durch soweit es sich um den Spülinittelumlauf handelt, die

solche Spülungsdüsen in diesen Ringraum geleitet Mittelöffnung 26 des Bohrkopfes 3 nur von einer

wird. Selbstverständlich ist der Druck auch dadurch 65 Größe zu sein, die für den Rückfluß des umlaufen-

steuerbar, daß dieser Ringraum über ein Ventil mit den Spülmittels und zur Förderung des abgebohrten

der Außenatmosphäre in Verbindung steht, das ent- Materials durch dieses nach oben ausreicht. Bei der

sprechend Steuer-bzw. regelbar ist. gezeigten bevorzugten Aüsführungsform, die zum

Kernbohren geeignet ist, ragt ein Keil 27 in den Innenkanal 12 so hinein, daß er an einem Kern C angreift, der in der Schwerstange 21 nach oben bewegt wird, wenn der Bohrkopf 3 in eine Untertageformation eindringt. Der seitliche Schub des Keils 27 gegen den Kern C und um diesen herum (wenn sich das Bohrwerkzeug dreht) bewirkt eine Biegebewegung und ein Brechen des Kerns C. Die abgetrennten Kerne C haben eine ausreichende Länge, um ein Umstürzen oder überschlagen derselben im Innenkanal 12 zu verhindern, in welchem sie jedoch frei gleitbar sind, so da£ sie wie Freikolben wirken und durch das umlaufende Spülmittel nach oben gebracht werden.

Die Schwerstange 21 trägt eine Reihe von sich nach unten im wesentlichen bis zum oberen Ende des Bohrkopfes 3 erstreckenden radial fräsenden Räumsegmenten 28, deren Schneidkanten 28 α ζ. Β. aus Wolframcarbid bestehen. Sie dienen dazu, die Wand des Bohrloches abzuschaben, um Unregelmäßigkeiten zu beseitigen und den Bohrkopf 3 zu zentrieren, damit ein geraderes Loch von diametral voller Abmessung erhalten wird. Falls es notwendig wird, das Bohrgestänge aus einer Aushöhlung im Bohrloch B zu ziehen, ermöglichen die Räumsegmente 28, den Weg aus dem Bohrloch durch Drehen des Bohrgestänges herauszuschneiden.

Der obere Teil der Schwerstange 21 weist auf den Umfang verteilt eine Reihe von Spülungsdüsen 30 auf, durch die ein Teil des umlaufenden Spülmittels aus dem Außenkanal 13 in den Ringraum 31 bzw. 33 zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand austreten kann. An den Oberseiten der Düsen 30 befinden sich Schneidköpfe 32, um das Herausschneiden aus einer Höhlung im Bohrloch weiter zu erleichtern. Die Düsen 30 sind so angeordnet, daß die aus ihnen austretenden Ströme zwischen die Räumsegmente 28 gerichtet werden. Ein derart aufgeteilter Strom des umlaufenden Spülmittels führt dazu, daß der Ringraum 31, 33 bis zur Tagesoberfläche gefüllt werden kann. Ferner wird dadurch ein sehr wirksames Mittel zum Reinigen der Bohrlochsohle dadurch erhalten, daß durch das Bohrwerkzeug 24 abgebohrtes Material und aus der Wand des Bohrloches B abgeschlagene Gesteinsstücke nach unten gewaschen werden und die Ecken des Bohrloches B dadurch gereinigt werden, da die Strömung an der Bohrlochsohle vom Umfang zur Mitte gerichtet ist.

An der Tagesoberfläche ist das Bohrloch erweitert. Dort ist ein Futterrohr 36 durch eine Zementierung 37 abgedichtet, um eine Strömung von Spülmittel um die Außenseite des Futterrohres 36 zu verhindern. Der Kopf 38 ist mit einem Dichtungsring 39 versehen, der durch eine Mutter 40 gesichert ist. Der Ringraum 31, 33 ist vollständig abgedichtet mit Ausnahme von Auslaß- oder Druckentspannungsleitungen41.

Die Antriebsvorrichtung 4 weist eine Plattform 45 auf, die innerhalb des Bohrgerüstes I mit Hilfe eines Seils 46 und eines Flaschenzuges 47 nach oben und unten bewegt werden kann. Die Plattform 45 wird von einer Hängevorrichtung 48 am Flaschenzug 47 getragen und senkrecht längs Schienen. 49 geführt und gegen Drehung gehalten. Auf der Plattform 45 ist ein Spülkopfgehäuse 50 angeordnet. Auf die Nabe 65 der Antriebsvorrichtung 4 ist ein großes Zahnrad 68 aufgekeilt, das über ein geeignetes Ritzel 69 von einem auf der Plattform 45 angeordneten Motor 70 angetrieben wird. Auf der Plattform 45 ist ferner eine Einlaßjeitung 71, 71c/, 71 b vorgesehen, die in das Spülkopfgehäuse 50 mündet, um umlaufendes Spülmittel durch den Außenkanal 13 zur Bohrlochsohle zu leiten. Ein Auslaßrohr bzw. ein Auslaßschlauch 72 steht über das Spülkopfgehäuse 50 in unmittelbarer Verbindung mit dem Innenkanal 12 des Bohrröhrgestänges. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann kontinuierlich gebohrt werden.

Wird ein flüssiges Spülmittel, z. B. eine nicht zähflüssige wäßrige Bohrflüssigkeit W, von einer nicht gezeigten Quelle durch die Einlaßleitung 71 nach unten durch den Außenkanal 13 zum unteren Ende des Bohrgestänges 2 gepumpt, so teilt sich der Spülflüssigkeitsstrom an den Düsen 30 auf, so daß ein be-

is stimmler Teil des Stromes nach unten durch die Bohrkopfkanäle 25 nach unten fließt und die Bohrlochsohle unmittelbar beaufschlagt und der andere Teil, nämlich der durch die Düsen 30 fließende, das Bestreben hat, den Ringraum 31 um das Rohrgestänge herum gefüllt zu halten und die Bohrlochwandung unter Aufnahme des durch die Schneidorgane bzw. Bohrwerkzeuge 24 abgebohrten Materials auszuwaschen. Dieser Strom beaufschlagt dann auch die Sohle des Bohrloches B, und zwar fließt er von der Außenseite des Bohrloches/? radial nach innen, um das Bohrloch B reinzuspülen und das abgebohrte Materia! durch den Innenkanal 12 nach oben zu führen. Da der Ringraum oberhalb des Bohrkopfes 3 und die Wand des Bohrloches B durch das Futterrohr 36 und den Dichtungskopf 38 abgedichtet sind, wird natürlich eine Aufwärtsströmung durch den Ringraum im wesentlichen verhindert. Spülmittel, das an poröse Gebirgsschichten verlorengeht, wird natürlich laufend ersetzt.

Wird ein leichtes Spülmittel von geringer Viskosität verwendet, dann wird der Reibungsverlust in der Bohrvorrichtung auf einem Mindestmaß gehalten und eine starke Verwirbelung erzielt, wodurch das abgebohrte Material wirksam weggeführt wird. Dies führt zu höheren Bohrgeschwindigkeiten und einem verbesserten Kühlvermögen bei einem geringeren Druck auf die Gebirgsschichten. Da der Ringraum 33 nicht als Leitungsweg für den Umlauf des leichten Spülmittels verwendet wird, kann er gemäß Fig. 1 mit besonderem Vorteil zum Einleiten einer Säule eines thixotropen Schlammes M benutzt werden, der etwas schwerer als die umlaufende Flüssigkeit ist und sich von der Tagesoberfläche bis zu einer Höhe erstreckt, welche durch die Linie L oberhalb der Düsenöffnung angegeben ist. Dieser schwere thixotrope Schlamm wird von einem Vorratstank 80 über ein Leitungssystem zugeführt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schwerstange 21 besteht in ihrer Verwendbarkeit zum Bohren mit Gas als Bohrfluidum, wie insbesondere in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird Gas, vorzugsweise Luft oder Motorabgas, von einer geeigneten Quelle 91 zugeführt, so daß es durch den Außenkanal 13 zur Bohrlochsohle strömt.

Gegebenenfalls kann Gas von einem anderen Bohrloch oder einer anderen geeigneten Quelle i'ber eine Leitung 71 b .als umlaufendes Spülmittel zugeführt werden. Wie im Falle eines flüssigen Spülmittels wird der Strom unterteilt. Ein Teil strömt unmiltelbai durch den Bohrkopf 3, während ein anderer 'IViI durch die Düsen 30 a, die hierbei normalerweise nach oben gerichtet sind, in den Ringraum 33 um das Rohrgestänge herumgeleitet wird. Bei dieser Ausfüh-

rungsform dienen die Düsen 30 α nicht nur dazu, das Bohrloch B für eine wirksamere Schneidarbeit auszuspülen, sondern auch um Schwierigkeiten zu verhindern, weiche durch das Einleiten entweder von Wasser oder Gas aus Taschen durch den Bohrkopf verursacht werden.

Normalerweise ist das Ventil 90 in der Auslaßleitung 41, die aus dem Ringraum herausführt, geschlossen, und Gas. das durch die Strömungsteildüsen 32 nach außen strömt, hält den Ringraum 33 auf einem ausreichenden Druck, damit praktisch die gesamte Strömung durch den Innenkanal 12 nach oben zurückgeführt wird. Wenn jedoch eine Wasserader 92 vom Bohrkopf 3 durchdrungen wird, sickern normalerweise Wassertropfen durch die Bohrlochwandung und feuchten das abgcbohrlc Material an, so daß eine harte dichte Zementschicht an der Wand des Bohrloches B entsteht. Diese Verdichtung ist einer wassergebundenen Makadamisicrung nicht unähnlich, die zunimmt, bis die Strömung im Ringraum 33 im wesentlichen blockiert ist und das Rohrgestänge oft anfriert. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung befindet sich jedoch, falls ein solches Feuchtwerden eintritt, das abgebohrte Material innerhalb des Innenrohres 8, so daß es gegen Rollen unter Druck geschützt ist. Trotzdem wird beim ersten Anzeichen feuchten abgebohrten Materials das Ventil 90 geöffnet, so daß Gas aus dem Ringraum 33 ausströmen und damit eine nach oben gerichtete Strömung aus den Düsen 30 α hervorrufen kann. Die Menge dieser nach oben gerichteten Strömung kann unmittelbar durch den Grad der Offenstellung des Ventils 90 so geregelt werden, daß alles Wasser, das aus der Wasserader sickert, ohne störende Wirkung durch den Ringraum 33 nach oben weggebracht werden kann, so daß das Bohrloch selbst und das aus diesem aufsteigende abgebohrte Material für den Fortgang der Bohrarbeit trockengehalten werden kann.

In ähnlicher Weise strömt, wenn eine· Gastasche 93 vom Bohrkopf 3 durchfahren wird, Gas beim Schneiden des gashaltigen Sandes durch das Rohrgestänge nach oben, um die Wegführung des abgebohrten Materials zu verstärken und, was noch wichtiger ist, in diesem gehalten zu werden, wodurch die Explosions- und Feuergefahr wesentlich herabgesetzt wird. Nachdem der Bohrkopf 3 durch die Gastasche hindurchgetreten ist und im wesentlichen alles Gas in den Ringraum 33 strömt, besteht normalerweise die größte Gefahr im Vorhandensein eines Gas-Luft-Gemisches mit abgebohrtem Material, das durch das Stahlrohrgestänge bewegt wird. Funken, die durch den Aufschlag von abgebohrtem Material und Stahl aufeinander bei der erwähnten Bewegung erzeugt werden, können natürlich eine beträchtliche Explosionsgefahr und Feuergefahr herbeiführen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann jedoch das Ventil 90 wieder geöffnet werden, so daß ein Luftstrom nach oben durch den Ringraum 33 entsteht und das Gas von dem funkenerzeugenden abgebohrten Material weggeführt und aus dem Bohrloch B herausgeführt wird. Wenn das aus einer Untertagetasche in den Ringraum 33 freigesetzte Gas einen Druck und ein Volumen von ausreichender Größe hat, kann es auch selbst wieder verwendet werden. In diesem Falle kann der Luftverdichter der Quelle 91 abgeschaltet und die Einlaßleitung 71 geschlossen werden, um den Außenkanal 13 zu verschließen. Gleichzeitig wird das Ventil 90 geschlossen, so daß der einzige Kanal für den Gasaustritt nach oben der Innenkanal 12 ist, wodurch das Gas selbst als Bohrfluid wirkt. Da hierbei keine Luft mit dem Gas vermischt wird, besteht beim Entstehen von Funken keine Explosionsgefahr.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schwerstange für die Verbindung mit Doppclmantelrohren beim Kernbohren in Gesteinsformationen mit einem Innen- und einem Außenkana! und radialfräsenden, axialen Räumsegmenten, die sich bis zum Bohrkopf erstrecken und den offenen Querschnitt zwischen Außenrohr und Bohrlochwand verringern, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil der Schwerstange (21) über den Umfang verteilt Spülungsdüsen (30, 30 a) im Außenrohr (23) angebracht sind.

2. Schwerstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen der Spülungsdüsen (30) zwischen die Räumsegmente (28) gerichtet sind.

3. Schwerstange nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülungsdüsen (30) mit Schneidköpfen (32) versehen sind.

4. Schwerstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen der Spülungsdüsen (30 a) gegen den Bohrlochmund gerichtet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen