DE3928619A1 - Vorrichtung zum richtungsgesteuerten bohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum richtungs­ gesteuerten Bohren mit einem am Ende eines Bohrstrangs gelagerten, drehend antreibbaren Bohrmeißel.

Bohrvorrichtungen dieser Art werden zur Herstellung mehr oder weniger stark abgelenkter und von der verti­ kalen bis zur horizontalen beliebig geneigter Bohrungen benötigt. Solche Bohrungen sind beispielsweise erforder­ lich, um Hindernisse zu unterfahren oder um Bodenre­ gionen zu erkunden, die durch einen gradlinigen oder nur geringfügig gekrümmten Bohrungsverlauf nicht erreicht werden können.

Aus der DE-PS 31 07 973 ist ein Bohrwerkzeug zur Her­ stellung gekrümmt verlaufender Abschnitte von Tiefboh­ rungen bekannt, bei dem ein durch einen Vorortantrieb beaufschlagter Bohrmeißel am Ende eines drehfest gehalte­ nen Gestänges angeordnet ist, durch welches eine Abwink­ lung des Bohrmeißels gegen die Bohrlochachse festlegbar ist. Hierbei besteht das Gestänge aus Einzelgliedern, die über untereinander parallele Gelenkachse miteinander verbunden sind, von denen das vor dem Bohrmeißel vorletzte Glied wenigstens in der Krümmungsebene eine Weite hat, die dem Durchmesser des Bohrmeißels entspricht. Die Ab­ winklung des Bohrmeißels gegen die Bohrlochachse ist durch Festlegung der Schwenklage des unmittelbar vor dem Bohrlochmeißel angeordneten, für diesen ein Dreh­ lager bildenden Gestängegliedes in Bezug zu dem vorletz­ ten Glied einstellbar. Dieses bekannte Bohrwerkzeug hat sich in der Praxis bewährt und ermöglicht Ablenkungen von 90° und mehr mit einem kleinen Krümmungsradius. Für eine Reihe von Anwendungen ist dieses bekannte Bohr­ werkzeug jedoch zu aufwendig.

Durch den Aufsatz "Improved directional drilling will expand use" von McDonald et al in der Zeitschrift "The oil and gas journal" vom 26.02.1979 und durch die dort angegebene Veröffentlichung "Dyna-Drill-Handbook", 2. Auflage, der Firma Smith International Inc., USA ist es bekannt, einen sog. "bent-sub" zu verwenden, um eine Krümmung eines Bohrlochs zu erzeugen. Dieser "bent-sub" bewirkt eine geringfügige, starre Abknickung des unteren Endes eines Bohrgestänges, wobei sich in dem abgeknickten Bereich des Bohrgestänges ein Vorortantrieb für den am Ende des Bohrgestänges angeordneten Bohrmeißel befindet. Durch die Abknickung wird eine seitliche Vorspannung des Bohrmeißels bewirkt, wodurch im Fortschreiten des Bohr­ vorgangs eine fortwährende Ablenkung des Bohrwerkzeugs hervorgerufen wird. Da der abgeknickte Teil des Bohrge­ stänges mit dem Vorortantrieb durch den "bent-sub" starr mit dem darüberliegenden Bohrgestänge verbunden ist und eine verhältnismäßig große Länge hat, ergibt sich bei dieser bekannten Anordnung nur eine geringfügige Ablen­ kung, so daß größere Ablenkwinkel erst über größere Strecken erreichbar sind. Soll nach dem Ablenken die Bohrung grad­ linig fortgesetzt werden, so muß der "bent-sub" ausgebaut werden, was sehr aufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bohrwerkzeug der eingangs genannten Art zum richtungsgesteuerten Bohren zu schaffen, das einfach in seinem Aufbau ist und von übertage derart gesteuert werden kann, daß sich der Bohrmeißel entweder entlang einer gekrümmten oder entlang einer geraden Bahn bewegt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Drehachse des Bohrmeißels mit der Längsachse des Bohr­ strangs einen Winkel bildet und daß der Bohrstrang unab­ hängig vom Bohrmeißel drehend antreibbar oder in einer beliebigen Winkelstellung festsetzbar ist.

Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug läßt sich durch zwei unterschiedliche Betriebsweisen in jede beliebige Richtung lenken. Werden Bohrmeißel und Bohrstrang gleichermaßen angetrieben, wobei die Drehgeschwindigkeit des Bohrmeißels ein Vielfaches der Drehgeschwindigkeit des Bohrstranges betragen kann, so führt der Bohrmeißel zusätzlich zu seiner Drehbewegung um die eigene Drehachse eine Taumelbewegung aus, die durch die Winkelstellung seiner Drehachse zur Längsachse des Bohrstrangs hervorgerufen wird. Diese überlagerten Bewegungen beeinträchtigen den Bohrvorgang nicht und ergeben einen gradlinigen Verlauf des Bohr­ lochs in Richtung der Längsachse des Bohrstrangendes. Wird der Bohrstrang gegen Drehung festgesetzt und der Bohrmeißel alleindrehend angetrieben, so ergibt sich ein gekrümmter Bohrlochverlauf, da der Bohrmeißel nun bestrebt ist, in Richtung seiner zur Längsachse des Bohrstrang­ endes geneigten Drehachse in den Bohrgrund vorzudringen. Der Bohrlochverlauf wird somit ständig in die durch die jeweilige Winkelstellung des Rohrstrangs vorgegebene Richtung abgelenkt, so daß ein bogenförmiger Bohrlochabschnitt entsteht. Durch Aneinanderreihen von geraden und gekrümm­ ten Bohrlochabschnitten unterschiedlicher Winkellage lassen sich beliebige Bohrlochkonfigurationen erzeugen, wobei Ablenkungen von der Vertikalen bis zur Horizontalen und umgekehrt ohne weiteres möglich sind. Der Krümmungs­ radius der bogenförmigen Bohrlochabschnitte läßt sich über den Neigungswinkel der Rotationsachse des Bohr­ meißels und die Elastizität des Bohrstrangs in der er­ forderlichen Weise festlegen.

Der Antrieb des Bohrmeißels kann bei dem erfindungsge­ mäßen Bohrwerkzeug durch ein im Inneren des aus Rohren bestehenden Bohrstrangs angeordnetes Bohrgestänge erfolgen. Dies ist vor allem günstig, wenn Bohrungen mit kleinem Durchmesser hergestellt werden sollen. Ebenso ist es möglich, den Bohrmeißel vor Ort durch einen Bohrloch­ motor anzutreiben, der im Bohrstrang angeordnet und an diesem oder einem Bohrgestänge abgestützt ist.

Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug eignet sich auch zum Kernbohren. Hierbei kann im Bohrgestänge ein Kernrohr ziehbar angeordnet sein. In einer anderen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, daß das Kernrohr zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrmeißel angeordnet ist. Bei dieser Variante ist jedoch zur Kernentnahme erforderlich, das Bohrgestänge zu ziehen.

Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß das Bohrgestänge durch eine untertägig lösbare Verbindung formschlüsssig mit dem Bohrmeißel verbunden ist. Hier­ durch ist ein Ziehen des Bohrgestänges ohne Ausbau des Bohrstrangs möglich. Dies kann zweckmäßig sein, wenn der Bohrstrang nach der Fertigstellung einer Bohrung im Bohr­ loch verbleiben soll, um dieses gegen Zusammenbrechen zu sichern.

Der Drehantrieb für den Rohrstrang und ggf. für das Bohr­ gestänge sowie eine Vorschubeinrichtung können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung auf einem Lafettenbohr­ gerät angeordnet sein, dessen Lafette in einem beliebigen Winkel zwischen vertikaler und horizontaler Lage angesetzt werden kann.

Der Bohrdurchmesser des Bohrmeißels ist erfindungsgemäß vorzugsweise größer als der Durchmesser des Bohrstrangs. Hierdurch wird eine leichte Drehbarkeit des Bohrstrangs gewährleistet und der Ringraum zwischen dem Bohrstrang und der Bohrlochwand kann zum Austrag des Bohrkleins ge­ nutzt werden. Die Zuführung der Bohrspülung erfolgt er­ findungsgemäß durch das Innere des Bohrgestänges oder durch den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrstrang.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Bohrwerkzeugs besteht erfindungsgemäß darin, daß der Bohrmeißel in einem Lager­ stuhl am Ende des Bohrstrangs konzentrisch und axial ge­ lagert ist und daß das mit dem Bohrmeißel formschlüssig verbundene Gestängerohr des Bohrgestänges in einem Ab­ stand vom Lagerstuhl in einer Lagerung exzentrisch im Rohrstrang stabilisiert ist, wobei auf der dem Bohr­ meißel abgekehrten Seite der Lagerung wenigstens eine zweite Lagerung für das Bohrgestänge im Rohrstrang vorge­ sehen ist. Diese Ausgestaltung ist einfach in ihrem Auf­ bau und läßt sich mit einfachen und robusten Bauteilen verwirklichen. Der erforderliche Bohrdruck wird dabei über den Bohrstrang und den robust ausführbaren Lagerstuhl auf den Bohrmeißel übertragen. Der Anstellwinkel des Bohrmeißels wird über das mit dem Bohrmeißel formflüssig verbundene Gestängerohr des Bohrgestänges erzeugt, wobei hierzu die Lagerung zur Stabilisierung des Bohrgestän­ ges ausgenutzt wird, so daß es keiner zusätzlichen bau­ lichen Einrichtungen bedarf.

Zur ständigen Überwachung der Richtung des Bohrlochs ist im Bohrstrangende erfindungsgemäß ein Bohrlochnavigations­ gerät angeordnet, dessen Daten nach übertage übertragen werden. Abweichungen von der gewünschten Bohrrichtung können so kontinuierlich festgestellt und durch entspre­ chende Änderung der Betriebsweise des Bohrwerkzeugs bzw. der Winkellage des Rohrstrangs kompensiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert, welches in der Zeichnung dar­ gestellt ist. Die Zeichnung zeigt schematisch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs beim Herstellen einer Bohrung unterhalb eines Geländehindernisses in Form eines Deponiekörpers.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zum Antrieb des Bohrwerkzeugs 1 ein Lafettenbohrgerät 2 vorgesehen, das zwischen vertikaler und horizontaler Lage in jedem beliebigen Winkel angesetzt werden kann. Das Lafetten­ bohrgerät 2 weist zwei voneinander unabhängige Kraftdreh­ köpfe 3, 4 auf. Der Kraftdrehkopf 3 ist mit einem Bohr­ strang 5 verbunden und in der Lage, diesen kontinuierlich in Drehung zu versetzen oder ihn in einer bestimmten Drehwinkelstellung festzuhalten. Weiterhin weist der Kraftdrehkopf 3 eine Vorschubeinrichtung auf, mit der die zum Bohren erforderliche Last an dem Bohrstrang 5 aufgebracht werden kann. An den Kraftdrehkopf 4 ist ein Bohrgestänge 6 angeschlossen, welches zum Antrieb eines Bohrmeißels 7 dient, der mit einem Lagerstuhl 8 im Ende 9 des Bohrstrangs 5 gelagert ist. Der Kraftdrehkopf 4 weist ebenfalls eine Vorschubeinrichtung auf, um das Bohrge­ stänge 6 entsprechend dem Bohrfortschritt weiter zu schieben. Bohrspülung wird durch das aus Rohren gebildete Bohrgestänge 6 zum Meißel 7 geleitet.

Der Meißel 7, dessen Durchmesser größer ist als der Durch­ messer des Bohrstrangs 5, ist mit dem letzten Gestänge­ rohr 10 des Bohrgestänges 6 formschlüssig lösbar verbun­ den. Das Gestängerohr 10 und der Meißel 7 bilden somit eine bauliche Einheit mit gemeinsamer Drehachse. Die Lage dieser Drehachse wird einerseits durch den Lager­ stuhl 8 bestimmt, der den Meißel 7 und das mit ihm ver­ bundene Ende des Gestängerohrs 10 konzentrisch im Bohr­ strangende 9 lagert. Andererseits bestimmt eine exzen­ trische Lagerung 11, die sich im Abstand vom Lagerstuhl 8 am anderen Ende des Gestängerohrs 10 befindet die Lage der Drehachse des Meißels 7 und zwar derart, daß sie einen Winkel zur Längsachse des Rohrstrangendes 9 bildet. Im Abstand von der exzentrischen Lagerung 11 ist eine zweite Lagerung 12 vorgesehen, die zentrisch oder exzentrisch ausgebildet sein kann und zur Stabilisierung des Bohr­ gestänges 6 dient. Die exzentrische Lagerung 11 ist orts­ fest innerhalb des Rohrstrangendes 9 angeordnet. Die Lage ihrer Exzentrizität kann daher durch Drehung des Bohr­ strangs 5 beliebig eingestellt werden.

Bei dem beschriebenen Bohrwerkzeug hat der Bohrstrang 5 die Aufgabe, das Bohrloch offenzuhalten, den Bohr­ meißel 7 und das Bohrgestänge 6 zu lagern, die Lage der exzentrischen Lagerung 11 festzulegen und den erforder­ lichen Bohrdruck auf den Bohrmeißel 7 zu übertragen. Der Bohrstrang 5 weist innen und außen einen konstanten Durch­ messer auf. Um elektromagnetische Messungen zu ermöglichen, ist das Bohrstrangende 9 aus nichtmagnetischem Stahl her­ gestellt. Die Aufgaben des Bohrgestänges 6 sind Trans­ port der Spülung zum Meißel 7, Führung eines Meßgerätes, Übertragung des Drehmoments auf den Meißel 7 und beim Kernbohren Tragen eines Kernrohres. Auch das Bohrgestänge 6 ist im Bereich des Bohrstrangendes 9 aus nichtmagneti­ schem Stahl hergestellt.

Wird beim Bohren von dem Kraftdrehkopf 4 über das Bohrge­ stänge 6 nur der Meißel 7 angetrieben, während der Bohr­ strang 5 steht, so ändert sich die Bohrrichtung entspre­ chend dem Neigungswinkel, den die Drehachse des Meißels 7 aufgrund der Exzentrizität der Lagerung 11 zur Längsachse des Bohrstrangs einnimmt. Durch Einstellung der Lage des Exzenterpunktes der Lagerung 11 kann somit die Bohrung in eine beliebige Richtung abgelenkt werden. Wird über eine längere Strecke mit stehendem Bohrstrang 5 gebohrt, so ergibt sich ein gekrümmter bogenförmiger Bohrloch­ verlauf. Wird der Bohrstrang 5 über den Kraftdrehkopf 3 zusätzlich zum Meißel 7 in Drehung versetzt, so führt der Meißel 7 neben seiner Drehbewegung eine Taumelbewe­ gung aus, so daß eine Richtungsänderung in eine bestimmte Richtung nicht mehr möglich ist. Ein gradliniger Bohr­ lochverlauf ist die Folge. Durch geeignete Kombination beider Betriebsweisen läßt sich jeder beliebige Bohrloch­ verlauf erbohren.

Das beschriebene Bohrgerät eignet sich auch zum Gewinnen von Bohrkernen. Hierzu hat der Meißelanschluß am Gestänge­ rohr 10 einen der maximalen Kerngröße entsprechenden Durchgang und als Meißel wird eine Kernbohrkrone verwen­ det. Soll keine Kernbohroperation vorgenommen werden, so kann ein zusätzlicher Meißel durch das Bohrgestänge in die Kernbohrkrone eingebaut werden, so daß mit vollem Bohrlochquerschnitt gebohrt werden kann. Zum Gewinnen der Bohrkerne kann ein Kernrohr eingesetzt werden, wo­ bei zur Kernentnahme entweder das Bohrgestänge 6 gezogen wird oder ein im Bohrgestänge 6 bewegliches Kernrohr einge­ setzt wird, das über Wire-line oder hydraulisch nach über­ tage gebracht werden kann.

Das beschriebene Bohrwerkzeug eignet sich für die unter­ schiedlichsten Anwendungen. So können Bohrungen sowohl im festen Untergrund als auch in lockeren Böden, Kies oder Sandschüttungen ausgeführt werden. Da die Bohrrich­ tung beliebig variiert werden kann, lassen sich vor allem auch Hindernisse wie Flußläufe, Fundamente oder auch Deponiekörper unterfahren, wobei erforderlichen­ falls der Rohrstrang im Bohrloch verbleiben kann, um dieses offenzuhalten.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum richtungsgesteuerten Bohren mit einem am Ende eines Bohrstrangs gelagerten, drehend antreib­ baren Bohrmeißel, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehachse des Bohrmeißels (7) mit der Längsachse des Bohrstrangs (5) einen Winkel bildet und daß der Bohrstrang (5) unabhängig vom Bohr­ meißel (7) drehend antreibbar oder in einer beliebigen Winkelstellung festsetzbar ist.

2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Bohrmeißels (7) durch ein im Inneren des aus Rohren bestehenden Bohrstrangs (5) angeordnetes Bohrgestänge (6) erfolgt.

3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Bohrmeißels (7) vor Ort durch einen im Bohrstrang (5) angeordneten und an diesem oder an einem Bohrgestänge abgestützten Bohrlochmotor erfolgt.

4. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrgestänge (6) ein Kernrohr ziehbar angeordnet ist.

5. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bohrgestänge (6) und dem Bohrmeißel (7) ein Kernrohr angeordnet ist.

6. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge (6) durch eine untertägig lösbare Verbindung formschlüssig mit dem Bohrmeißel (7) verbunden ist.

7. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorschubeinrichtung und der Drehantrieb (3) für den Bohrstrang (5) auf einem Lafettenbohrgerät (2) angeordnet sind, dessen Lafette in einem beliebigen Winkel zwischen vertikaler und horizontaler Lage ansetzbar ist.

8. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrdurchmesser des Bohr­ meißels (7) größer ist als der Durchmessers des Bohr­ strangs (5).

9. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrspülung durch das Innere des Bohrgestänges oder durch den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrstrang zugeführt wird.

10. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmeißel (7) in einem Lagerstuhl (8) am Ende (9) des Bohrstrangs (5) konzentrisch und axial gelagert ist und daß das mit dem Bohrmeißel (7) formschlüssig verbundene Gestängerohr (10) des Bohrgestänges (6) in einem Abstand vom Lagerstuhl (8) in einer Lagerung (11) exzentrisch im Bohrstrang stabilisiert ist.

11. Bohrvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Bohrmeißel (7) abgekehrten Seite der exzentrischen Lagerung (11) wenigstens eine zweite Lagerung (12) für das Bohrgestänge (6) im Bohrstrang (5) vorgesehen ist.

12. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrstrangende (9) ein Bohrlochnavigationsgerät angeordnet ist, dessen Daten nach übertage übertragen werden.