DE2161884A1

DE2161884A1 - Diamantbohrvorrichtung mit Bohrlochabstützung

Info

Publication number: DE2161884A1
Application number: DE19712161884
Authority: DE
Inventors: Gorgendiere Choiseul J.J. North Way Ontario Delia (Kanada)
Original assignee: Diamant Boart,S.A., Brüssel
Priority date: 1970-12-22
Filing date: 1971-12-14
Publication date: 1972-06-29
Also published as: AU3717771A; CA941815A; FR2123279B3; US3712392A; FR2123279A3; BE777037A; GB1346330A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR-ING. SCHÖNWALD 2 16 1884 DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES D1PL-CKEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING

5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

15. Dez. I97I Sch-DB/ls

DIAMANT - BOART, S.A.

1K, Avenue du Pont-de-Luttre, 74 - II90 Brüssel (Belgien)

Diamantbohrvorrichtung mit Bohrlochabstützung

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von Bohrlöchern, insbesondere von geraden Bohrlöchern.

Ein seit langem ungelöstes Problem besteht beim Bohren darin, das Bohrloch gerade zu halten. Derartige diamantgebohrte Löcher können kleine Durchmesser bis zu 2 inches und etwas darunter aufweisen und eine Stahlbohrstange dieses Durchmessers biegt sich selbst bei kompakter Ausbildung leicht durch, da das Bohrloch weit über 300 m tief sein kann. Eine geringfügige Ablenkung in 30 m Tiefe vergrößert sich bei J500 m Tiefe erheblich und selbstverständlich kann jeder Vorschub um weitere ^O m zusätzliche Ablenkungen mit sich bringen. Der Richtungswechsel kann pro 30 m zwischen 5° bis 10° ausmachen. Dies wird bekanntermaßen auf ein Minimum reduziert, wenn die Bohrkrone normal, d.h. unter rechten Winkeln, in harte Gesteinsschichten eindringt. Mit anderen Worten ausgedrückt

209827/0689 " ² "

neigt eine Bohrkrone zu einem Richtungswechsel, wenn sie sich in harte Schichtflächen eingräbt, um schließlich einen normalen Einschnitt, d.h. einen unter einem rechten Winkel ausgerichteten Einschnitt zu erzielen. Die Gesteinsschichten verlaufen allerdings nicht notwendigerweise waagerecht und ihr Richtungsverlauf ist unbekannt, so daß sich die Erstreckung des Bohrloches nicht ohne weiteres vorhersagen laßt. Diese Abweichung ist insbesondere dann unangenehm, wenn die Bohrung harte und weiche Schichtlagen durchstößt.

Theoretisch ergibt sich eine Lösung des Problems durch Abstützung der Bohrkrone auf einer kurzen Länge unmittelbar hinter der Bohrkrone, wie es in der US-Patentschrift 1 172 I59 beschrieben ist. In der Praxis läßt sich dies nicht verwirklichen, wie aus beliebigen Verkaufsprospekten ersichtlich ist. Der Durchmesser des Bohrstranges ist immer etwa .070 ft kleiner als der Durchmesser der Diamantbohrkrone, so daß das Wasser durch den .035 inch großen Ringraum zwischen dem Außendurchmesser des Bohrstranges und der Bohrlochwand zurückfließt. Der Grund liegt darin, daß im Bereich der Bohrkrone befindliche spiralförmige Rückflußnuten unwirksam sind, da Gesteinspartikel und Wasser austreten und den Abstand zwischen den Nuten rasch ausschleifen und auswaschen, so daß bereits nach einigen Vorschubmetern die Abstützung für die Bohrkrone abhanden kommt.

Eine Lösung der erwähnten Probleme läßt sich teilweise durch sogenanntes kontrolliertes Bohren erzielen. Dies ist eine Technik, die sich durch lange Erfahrung entwickelt und von dem Bohrführer fordert, daß er in jedem Augenblick die zu durchbohrende Materialart erkennt und den Wechsel von einer Art zur anderen sofort wahrnimmt. Dies wird durch Kontrolle des Wasserdruckes und Regulie-

209827/0689

rung der Vorschubrate der Bohrkrone sowie des auf ihr lastenden Druckes erreicht. Dies bedeutet, daß das Gewicht des Bohrstranges bei Zunahme der Bohrlochtiefe nicht insgesamt auf der Bohrkrone lastet. Eine typische Vorschubkraft für durchschnittliche Gesteinsschichten (weder Granitgestein noch weiche Schieferschichten) beträgt 84 kg/cm und bekannte Kontrolltechniken verringern natürlich die Vorschubkraft beim Durchdringen der weichen Gesteinsschicht, obwohl die Vorschubrate im allgemeinen erhöht wird. Diese Verfahren sind jedoch kostspielig, da. sie außerordentlich sachkundige Bedienungspersonen erfordern und die Bohrtiefe pro Bohrkrone auf etwa 6 m begrenzt ist, weil sonst die Diamanten blank werden und an Schneidfähigkeit einbüßen. Dies führt zu höheren Bohrkronenvorschubkraften und verschleiert Informationen. Auch die teuersten Bohrlöcher lassen jedoch hinsichtlich ihrer Geradheit viel zu wünschen übrig.

Diese Probleme werden noch gravierender, wenn kleine Löcher für Bohrkernproben gebohrt werden. Selbstverständlich sprechen wirtschaftliche Gründe bei der Probennahme für kleine Bohrlöcher, jedoch ist eine lange Stange mit einem Durchmesser von etwa 2 inch viel biegsamer und gegen Ablenkungen anfällig als eine Stange mit einem Durchmesser von beispielsweise 4 inch.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bohrvorrichtung zu schaffen, die viel geradere Bohrlöcher als bisher erzeugt. Außerdem wird eine neue und verbesserte Wasserspülung für eine derartige Bohrvorrichtung insbesondere für kleinere Abmessungen vorgeschlagen.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

209827/0689

Pig. 1 zeigt eine bekannte, auf dem Markt befindliche Bohrvorrichtung in Ansicht, bei der zur Veranschaulichung Teile weggeschnitten und die Flüssigkeitsströmungen durch Pfeile angedeutet sind.

Fig. 2 stellt eine entsprechende Ansicht einer die Nachteile der bekannten Vorrichtung überwindenden erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung mit angedeutetem Kühlflüssigkeitsverlauf dar,

Fig. 3 ist in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt, aus dem der Zusammenbau eines profilierten Stützrohres mit dem Innen- und Außenkernrohr hervorgeht, damit der Verlauf des Spülstromes zwischen dem Innen- und Außenkernrohr der Anordnung nach Fig. 2 klar wird.

Bei der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 fließt die Kühlflüssigkeit an der Innenseite des Bohrstranges in dem inneren Ringraum zwischen dem Außenumfang 2 des Kernhebers 4 mit einem Kernhebergehäuse und dem Innenumfang der Bohrstange 8 nach unten, spült das von der Bohrkrone 10 gelöste Bohrklein weg und kehrt durch den Ringraum zwischen dem Außenumfang 12 der Bohrstange 8 und dem diese umgebenden Gestein 14 zum Bohrlochkopf zurück. Die radiale Breite dieses Ringraumes liegt im allgemeinen wie erwähnt in der Größenordnung von .0^5 inches während der Wasserstrom üblicherweise etwa Γ3,5 bis 22,5 ltr pro Minute beträgt. Der Druck zur Erzielung dieser Durchströmrate schwankt in Abhängigkeit von dem zu bohrenden Material der Gesteinsschichten. Daraus ergibt sich eine nicht abgestützte Länge, die unter Berücksichtigung der zusätzlichen Faktoren der Erwärmung, Vibration und Inhomogenität des zu bohrenden Materials zu typischen Ablenkbedingungen der Bohrlöcher zwischen 5 bis 10 pro 30 m für abwechselnd harte und weiche Ge-

- 5 209827/0689

steinsschichten führt.

Demgegenüber zeigt Fig. 2, daß eine Abstützung an dem Bohrer erzielt wird und daß das Strömungsbild sich nun geändert hat, weil die abwärts- und die aufwärtsgerichteten Ströme innerhalb des Außenkernrohres verlaufen. Dieses Außenkernrohr 16 wird bei allen Vorhaben und Verwendungszwecken von dem eben gerade durchbohrten Gestein abgestützt. Zwischen dem Außenumfang 18 dieses Außenkernrohres 16 und dem gebohrten Gestein 14 verbleibt lediglich ein Mikro-Ringraum. Dieser Mikro-Ringraum hat in hartem Gestein eine radiale Dicke von größenordnungsmäßig .002 inches und ist in der Praxis mit einer steifen pastösen Masse kleiner Partikel gefüllt, in die durch Kapillarwirkung Wasser eingedrungen ist. Auf diese Weise wird die bisher verwendete bekannte hohle Bohrstange 8 durch ein Außenkernrohr 16 ersetzt, das gegen die Bohrlochwandung und einen Stützkörper 20 anliegt.

Das Wasser zum Kühlen der Bohrkrone und zur Entfernung des Bohrkleins strömt durch vier in dem Stützkörper 20 ausgesparte Kanäle 22 nach unten. Diese Kanäle sind im Gegensatz zu dem bisher axial durch den inneren Ringraum fließenden Strom mit Abstand um den Kernheber 4 verteilt, •/ιIe in Fig. 3 gut erkennbar ist. In Fig. 2 sind sie durch den Abstand zwischen der gestrichelten Linie in dem Schnitt des Teiles 20 und dem Außenumfang 2 des Kernhebers 4 angedeutet.

Sobald das Wasser die Diamantbohrkrone 10 innen berührt hat, strömt es um die Krone herum nach außen zu dem Nachschneidring 24. In diesem Nachschneidring 24 befinden sich vier Längsnuten 26, die teilweise in Ansicht und durch eine gestrichelte Linie auch in dem Schnitt dargestellt sind. Der Ring ist durch Silberlötung mit dem

- 6 209827/0689

BAÖ ORIGINAL

Stützkörper 20 verbunden.

Folgende Angaben sollen illustrieren, wie' klein der Abstand ist: Bei einer Größenbemessung beträgt der Kerndurchmesser., der bei der Probengewinnung so groß wie möglich sein soll, l-1/ΐβ inches, während das Bohrloch 1-57/64 inches im Durchmesser mißt. Der Kernheber hat einen Außendurchmesser von 1-9/32, zu dem sich der Innendurchmesser 28 des Stützrofres in geringfügigem Abstand von 1.312 bis I.3IO inches befindet.

Die Bohrkronenlehre selbst hat einen Durchmesser von I.870 bis I.800 inches, schneidet jedoch die Größe nicht unbedingt genau, d.h. das Bohrloch ist in manchen Gesteinen größer als der Bohrer. Die Größe der Bohrkrone wechselt außerdem und ist nicht genau maßhaltig. Der Nachschneidring schneidet andererseits insbesondere in hartem Gestein sehr präzise, vorausgesetzt, daß er scharf gehalten wird, weil er nur eine sehr geringe Materialmenge entfernt. Bevorzugt wird ein Nachschneidring verwendet, dessen Diamanten mit Übergröße abgesetzt und auf genau 1.895 inches geläppt sind, um eine nahezu perfekte Konzentrizität zu erreichen. Die Endfläche stellt einen Anschlag für den Gewindeteil der Bohrkrone 10 dar.

Der Rückstrom erfolgt durch die vier Längsnuten 26 des Nachschneidringes in eine Bohrschmandsammelrinne 30. Diese Sammelrinne unterstützt auch die Einführung der rückströmenden Flüssigkeit in die vier Durchlässe 32 zwischen den in das Stützrohr 20 eingefrästen Außenkanälen 34 und dem Innenumfang 36 des Kernrohres l6. Diese Rückflußdurchlässe sind in den Fig. 2 und 3 erkennbar.

Die Länge des Kernrohies beträgt 5-1/4 inches ausschließ-

- 7 209827/0689

lieh der 1/4 inch langen Kronierungen 38, die mit den Antriebsklauen 40 des Stützrohres 20 in Eingriff stehen. Bei der vorstehend angegebenen Größenabmessung gewährleisten der Innendurchmesser 36 des Außenkernrohres mit I.69I - .001 inches und der Außendurchmesser 42 des Stützrohres 20 mit I.689 - .001 inches eine gute Abdichtung und Abstützung des Kernrohres durch das darunterbefindliche Stützrohr. Zur Vermeidung von Ovalbohrungen empfiehlt es sich, diese Teile einander überlappen zu lassen.

Nach Aufwärtsströmung in den Durchlässen J>2 verläßt der Bohrschmand das Außenkernrohr durch öffnungen 44 und gelangt in einen Ringraum 46. Dieser Ringraum ergibt sich durch eine Reduzierung des Kernrohrdurchmessers auf I.835 inches (s. Beispiel), so daß ein Ringraum von .030 inches Breite und ein Bohrlochdurchmesser von I.895 inches vorliegen. Dies ist genau der Nachschneidringdurchmesser - die wirkliche Breite des Ringraumes liegt etwa bei .035 inches.

Ein anderes Merkmal dieser Anordnung besteht darin, daß diese öffnungen zwischen den Durchlässen und dem Bohrlochringraum als Schlüsselansatzflächen benutzt werden können. Es ist häufig schwierig, die Gewindeteile abzuschrauben, um de Bohrkronen zu ersetzen, weil ein Rohrschlüssel sich auf dem Außenkernrohr l6 nicht ansetzen läßt, ohne seine Punktion zu zerstören. So unterstüzten die öffnungen 44 die Demontage, indem sie' Anlagemöglichkeiten für einen nicht gezeichneten Spezialschlüssel darstellen, um das Angreifen von Rohrschlüsseln auf den sorgfältig bearbeiteten Teilen zu vermeiden. Das Kernrohr selbst läßt sieh austauschen, indem die Rohrteile 16, 20 von dem Stabilisator 48 abgeschraubt werden und eine abgestufte oder abgeschrägte Nabe in die Bohrung des Stütz-

- 8 -209827/0689

rohres 20, das an seinem oberen Ende rund und ohne Kanäle ausgebildet ist, eingeführt wird, woraufhin das Stützrohr mittels einer Spindel abgezogen wird, die nach der Art einer Zahnradabziehvorrichtung auf Ansätze 38 zwischen den Klauen 40 wirkt.

Das Kernrohr 16 hat einen Außendurchmesser von 1.893 inches, um mit der Bohrlochwand theoretisch einen Mikrο-Ringraum von .001 inches einzuschließen. In der Praxis sollte der Außendurchmesser 1.880.1 inches in AISI 4l4O-Stahl betragen und durch der Herabsetzung des Verschleißes dienende Hartverchromung bis auf eine Tiefe von .006 inches auf einen Durchmesser von I.892.3 inches gebracht werden.

Der Stabilisator 48 versteift das Bohrstrangende über eine größere Länge als es dem Kernrohr 16 allein möglich ist und er wird mittels viereckiger Gewindegänge mit dem Kernrohr verbunden, wobei die Gewindegänge so enden, daß das Kernrohr l6 zwischen einem Ende des Stabilisators 48 und den Stegen der Klauen 40 auf dem Stützrohr 20 eingeschlossen ist.

Dieser Stabilisator vergrößert sich wie bei 52 erkennbar von I.835 inches bis I.89O inches (oberhalb der Hartverchromung) und besitzt spiralförmige Nuten 54, durch die der Bohrschmand bei seiner Aufwärtsströmung an der Außenseite des Stabilisators vorbeiströmt. Ein geringfügiger Anteil des Bohrschlammes kann an der Fläche vorbeitreten, jedoch verringert der kleine Abstand zwischen der Bohrlochwand und dem zylindrischen Teil der Peripherie Vibrationen und ein Schlagen der Bohrkrone. Der äußere Stabilisatordurchmesser verbleibt über eine Länge von 4 inches auf diesem Maß von"I.890 inches und wird dann wieder auf I.835 inches verringert,

_ 9 _ 209827/0689

so daß der übliche Ringraum entsteht. Da dies für den Fachmann durchaus verständlich ist, wurde es in der Zeichnung nicht dargestellt.

Unterhalb dieses verringerten Durchmessers weist der . Stabilisator ein viereckiges Innengewinde auf, so daß er ein Außenrohr aufnehmen kann. Vorzugsweise wird als äußeres Adapterrohr ein Standardrohr 56 verwendet, das jedoch 12 inches kürzer ist, so daß die erfindungsgemäße Adapter-, Stabilisator-, Stützrohr- und Kernrohranordnung gegen Standardbohrkrone und äußeres Rohr ausgetauscht werden kann.

Es wurden in Bohrerablenkungen fördernden Gesteinsforma tionen mit nahezu senkrecht geneigten Schichtlagen _; kontinuierlich harten und weichen Gesteins von Diorit, Diabas, Quarz und unreinem Quarzgestein Versuche durchgeführt. Nachfolgende Aufstellung von SäurePrüfungen zeigt einen Vergleich der Bohrlochablenkungen:

Bohrloch / AW4

Tiefe	ft	Winkel
170	ti	57°
250	Il	55°
330	ti	⁵³O
400	ti
500	ti
Kernrohr (600	It	50° 30 f
abgenutzt (700	It	⁴¹O
8OO	It	40°
900	ti	28°
1000	It	14°
1200	Il	+ 5
l400	It	+10°
I5OO	+10°

Collared bei 62° Bemerkungen

Neues Pührungste?nrohr in Benutzung genommen

neues Kernrohr eingesetzt Spezialstützrohr ausgebaut Standardstützrohr benutzt

Bohrung beendet

Aus der Aufstellung geht hervor, daß nur bei abgenutztem'Kernrohr eine merkliche Abweichung von der vorgesehenen Richtung

209827/0689

2161584

auftritt. Bei 800 ft Tiefe wurde das erfindungsgemäße Stützrohr ausgebaut und durch ein herkömmliches Standardrohr ersetzt, weil die Ablenkung so klein war, daß anzunehmen war, daß andere Faktoren die Ergebnisse beeinflussen könnten. Wenn ein Bohrführer bei der Arbeit mit beiden Arten der Bohrvorrichtung die gleiche Sorgfalt aufwendet, wird charakteristischerweise die Ablenkung von 5° bis 10° pr 100 ft bis innerhalb 1° oder 2° pro 100 ft der Bohrung herabgesetzt.

- 11 209827/0689

Claims

Ansprüche

1. Bohrstrang bestehend aus Innen- und Außenkerrirohr sowie einer Diamantbohrkrone, gekennzeichnet durch ein Stützrohr (20) mit im wesentlichen ununterbrochenem äußerem Kreisumfang, dessen Außendurchmesser etwas kleiner als das normalerweise von der Bohrkrone (10) geschnittene Bohrloch ist, so daß der Rückstrom zwischen dem Bohrloch und der Außenfläche des Kernrohres unterbunden wird, wobei der äußere Kreisumfang ebenfalls eine solche Länge zu dem Durchmesserverhältnis hat, daß er die Bohrkrone bei der Beibehaltung der gewollten Richtung unterstützt, sowie durch Mittel, die mit dem Kernrohr (16) und dem Kernheber (4) zur Schaffung von Durchlässen (22, 32) zur Zuführung des Fluids zur Bohrkrone und zur Rückführung desselben von dieser derart zusammenwirken, daß beide Strömungen innerhalb des von dem Kernrohr (16) gebildeten Rohrkörpers verlaufen.

2. Bohrstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kernheber (4) eine zylindrische Außenfläche (2) aufweist und das Kernrohr (16) eine zylindrische Innenfläche (J>6) besitzt, und daß die mit ihm zusammenwirkenden Mttel

- ein Profilrohr (2o) sind.

3. Bohrstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser des Kernrohres (16) kleiner als 2 inches ist.

4. Bohrstrang nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeich'net , daß das Kernrohr (16) oberhalb des kreisförmigen Außenumfanges einen Teil verringerten Durchmessers aufweist, der mit der Bohr-

209827/0689

2151584

lochwand einen Ringraum (46) einschließt, daß der durchmesserverringerte Teil des Kernrohres (16) öffnungen (44) aufweist, und daß die öffnungen (44) zu den Rückflußdurchlässen (J2) so ausrichtbar sind, daß der Rückstrom um die Außenfläche der oberen Partie des Außenrohres (16) herum nach oben fließen kann.

5· Bohrstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (44) Schlitze mit parallelen Axialseiten und abgerundeten Enden sind, in die zum Lösen der Schraubgewinde der Anordnung ein Schlüssel eihsteckbar ist.

6. Bohrstrang nach Anspruch 1 oder 4, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Kernrohr (16), ein Stabilisatorrohr (48) von im wesentlichen zylindrischer Form mit spiralförmigen Nuten (54), wobei der Außendurchmesser des Zylinders etwas kleiner als derjenige des Kernrohres ist, damit rückströmendes Fluid durch die Nuten (54) über die Außenseite des Stabilisators fließen kann, jedoch das Kernrohr (16) bei der Aufrechterhaltung der Richtung der Bohrkrone durch eine Abstützung zu der Bohrlochwand unterstützt wird. .

7. Bohrstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (16) an seinem vorderen Ende Kronierungen (j58) aufweist und in der Nähe der Bohrkrone mit Klauen (40) versehen ist, und daß die Seiten der Kronierungen (38) zur antriebsmäßigen Verbindung gegen die Klauen (4o) anliegen, so daß der Bohrer mehr durch das Kernrohr (l6) als den profilierten Teil (20) antreibbar ist.

8. Bohrstrang nach Anspruch 7, dadurch g e -

- 13 209827/0689

kennzeichnet, daß die Kronierungen (38) sieh über die Rohrprofilierungen erstrecken, die die Rückflußdurchlässe (J2) darstellen.

209827/0689

Leerseite