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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Bohrrohre für
drehende und schwingende Bohrer und insbesondere Verbindungen für die Bohrrohre.
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Drehende
und schwingende Bohrer verwenden eine Vibrationskraft, welche einer
Drehbewegung überlagert
ist, um den Bohrvorgang durchzuführen.
Schallbohrer sind drehende und schwingende Bohrer, bei denen die
Schwingungen im Schallbereich liegen. Schallbohrer werden bei Anwendungen wie
das Bohren durch Deckgestein bei der Suche nach Goldvorkommen, das
Installieren von Betonpfeilern, das Wasserbrunnenbohren, das Felsbohren für Sprenglöcher, für Felskernbohrungen
und zum Prüfen
von Böden
auf den Grad der Verunreinigung eingesetzt.
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Eines
der in der Vergangenheit mit Schallbohrmaschinen einhergehenden
Hauptprobleme war das Unvermögen,
geeignetes Bohrwerkzeug zu entwickeln. Es werden innerhalb des Bohrrohres
extrem große
abwechselnde Kräfte
erzeugt. Ein standardmäßiges Bohrrohr
ist dazu ausgebildet, dem während
des drehenden Rohrens erzeugten Drehmoment standzuhalten, jedoch
nicht den hohen Zug- und Druckbelastungen, die beim Schallbohren
auftreten. Diese reversierenden Belastungen sind aufgrund der durch
das Vorhandensein der Gewinde erzeugten Belastungskonzentration
an den Gewindeenden von Werkzeugverbindungen besonders kritisch.
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Es
wurden verschiedene Versuche zur Lösung des Problems des Verbindungsversagens
unternommen. Einer bestand darin, Gewinde unmittelbar an dem Bohrrohr
auszubilden. Dies war nicht vollständig erfolgreich, da die Gewinde
die Querschnittsfläche
des Rohres verringerten und gleichzeitig als Belastungskonzentrationsstelle
wirkten, wie zuvor erwähnt.
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Ein
anderer Versuch bestand darin, Rohre mit dicken Wänden zu
verwenden. Jedoch wurde sodann festgestellt, dass sich das Bohrrohr
ungeachtet seiner Dicke durch die Resonanz um den gleichen Betrag
streckte oder dehnte und zusammenzog. Der größere Querschnitt erhöht lediglich
die Kraft, die von der Verbindung übertragen werden muss, was
zu einem Versagen an den Gewinden führt.
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Danach
wurde ein Bohrrohr mit einer im Verhältnis zu dem Bohrrohr relativ
dicken Werkzeugverbindung getestet. Diese Ausbildung wird routinemäßig für drehende
Bohrer zum Bohren von Ölquellen und
Wasserbrunnen eingesetzt. Sie werden im allgemeinen durch Umfangsschweißungen zwischen
dem Rohr und an der Verbindung verwendeten Gewindeverbindungsteilen
oder durch Reibschweißen
der Teile an die Rohre zusammengesetzt. Diese Schweißverbindungen
halten jedoch den Ermüdungsbeanspruchungsbedingungen
und den hohen Belastungskonzentrationen des Schallbohrens nicht lange
stand.
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Rohrverbindungen,
die abwechselnde Finger und Schlitze verwenden, welche sich umfangsmäßig um das
Rohr herum erstrecken, wurden für andere
Zwecke verwendet, wie beispielsweise die in dem
US-Patent 3 521 811 an Bardgette beschriebenen Ölbohrplattform.
Jedoch ist das in diesem Fall vorliegende Problem nicht analog zu
den Schwierigkeiten des Schallbohrens und schlägt daher keine Lösung des
Problems vor.
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Die
Probleme wurden durch das ältere
US-Patent 5 089 854 des
Anmelders weitgehend gelöst,
welches einen Bohrstrang beschreibt, bei dem die Bohrrohre entlang
V-förmigen
Schlitzen in dem Bohrrohr an Gewindeverbinder geschweißt werden. Obwohl
dies eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt,
blieben manche Probleme jedoch bestehen. Insbesondere war die Lebensdauer
der Bohrer kürzer
als erwünscht.
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Analysen
haben gezeigt, dass das Problem durch Schweißmaterialansammlungen am Boden des
V-förmigen
Schlitzes in dem Bohrrohr verursacht wird. Während des Abkühlens der
Schweißmaterialansammlungen
schrumpft es und verursacht hohe Zugbelastungen an dieser Stelle.
Wird das Rohr anschließend
Schwingungen ausgesetzt, bilden sich Risse um diese Ansammlungen
von Schweißmaterial.
Schließlich
beginnen diese Risse sich auszubreiten, bis sie aufeinander treffen
und das Rohr vollständig
versagt. Wenn dies in einem tiefen Loch geschieht, ist das Stück des Rohres
unterhalb der Bruchstelle unter erheblichen Kosten verloren.
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Die
durch die schrumpfende Schweißmaterialansammlung
bewirkte Belastungskonzentration könnte theoretisch verringert
oder eliminiert werden, indem die gesamte Länge des Rohres einem Vorgang
des Spannungsarmglühens
unterzogen wird. Dies ist jedoch nicht sehr praktisch, da Öfen für spannungsarmes
Glühen üblicherweise
nicht ausreichend lang sind. Des weiteren könnten nur wenige Teile zugleich
bearbeitet werden, da die Stangen und die Futterrohre zu stark unrund
würden,
wenn sie nicht in geeigneter Weise abgestützt werden. Daher würde ein
derartiges Spannungsarmglühen
die Teile zu sehr verteuern.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte drehende und
schwingende Bohranordnung, einen Bohrstrang und ein Verfahren zum
Verbinden von Bohrsträngen
miteinander zu schaffen, die eine bessere Haltbarkeit als frühere derartige Bohranordnungen,
Bohrstränge
und Verfahren bieten.
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Es
ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte drehende
und schwingende Bohranordnung, einen Bohrstrang und ein Verfahren
zum Verbinden von Bohrsträngen
miteinander zu schaffen, welche die Wirtschaftlichkeit von Bohrvorgängen im
Vergleich mit früheren
Bohranordnungen, Bohrsträngen
und Verfahren verbessert.
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Überblick über die Erfindung
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Nach
einem Aspekt der Erfindung ist ein Bohrstrang für einen drehenden und schwingenden Bohrer
mit mehreren Bohrrohren geschaffen. Jedes der Bohrrohre weist eine
Längsachse
und mindestens ein Ende auf. Ein weibliches Verbinderteil und ein
männliches
Verbinderteil befinden sich zwischen den Enden benachbarter Bohrrohre,
wobei das weibliche Verbinderteil einen ersten Bereich, der mit
einem ersten der benachbarten Bohrrohre zusammenpasst, und einen
zweiten Bereich aufweist, der sich von dem ersten der Bohrrohre
weg erstreckt. Das männliche
Verbinderteil weist einen ersten Bereich, der mit einem zweiten
der benachbarten Bohrrohre zusammenpasst, und einen zweiten Bereich
auf, der sich von dem zweiten der Bohrrohre weg erstreckt, wobei
der zweite Bereich des weiblichen Verbinders in Gewindeeingriff
mit dem zweiten Bereich des männlichen
Verbinders steht. Jedes der Bohrrohre und/oder die Verbinder weist
mehrere voneinander beabstandete Schlitze nahe dem Ende des Bohrrohres
auf, welche am Ende nach außen
offen sind. Die Schlitze verlaufen parallel zur Längsachse.
Jeder der Verbinder ist mit einem der benachbarten Bohrrohre durch
eine sich um ein benachbartes Ende des einen Bohrrohres und entlang
den Schlitzen erstreckende Schweißverbindung verbunden.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Bohrrohranordnung vorgesehen,
die ein Bohrrohr mit einer Längsachse
und einem Ende und ein Gewindeverbindungsteil umfasst, das einen
ersten Bereich, der mit dem Bohrrohr zusammenpasst, und einen zweiten
Bereich aufweist, der sich von dem Bohrrohr weg erstreckt. Das Bohrrohr
und/oder das Verbindungsteil weisen mehrere voneinander benachbarte
Schlitze nahe dem Ende auf, die am Ende nach außen offen sind. Die Schlitze
verlaufen parallel zur Längsachse.
Der Verbinder ist mit dem Bohrrohr durch eine sich um das Ende des
Bohrrohres und entlang den Schlitzen erstreckende Schweißverbindung
verbunden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden
eines drehenden und schwingenden Bohrers mit einem Gewindeverbinder
vorgesehen. Das Bohrrohr hat eine Längsachse und ein Ende, wobei
das Gewindeverbindungsteil einen ersten Bereich, der mit dem Bohrrohr
zusammenpasst, und einen zweiten Bereich aufweist, der sich von
dem Bohrrohr weg erstreckt. Das Verbindungsteil und/oder das Bohrrohr
weisen mehrere beabstandete Schlitze nahe dem Ende des Bohrrohres auf,
die am Ende nach außen
offen sind. Die Schlitze verlaufen parallel zur Längsachse.
Das Verbindungsteil wird mit dem Bohrrohr durch eine sich um das Ende
des Bohrrohres und entlang den Schlitzen erstreckende Schweißverbindung
verbunden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden
eines Bohrrohres für einen
drehenden und schwingenden Bohrer mit einem Gewindeverbindungsteil
vorgesehen, wobei Das Bohrrohr eine Längsachse und ein Ende hat. Das
Gewindeverbindungsteil weist einen ersten Bereich, der in dem Bohrrohr
mit diesem zusammenpasst, und einen zweiten Bereich auf, der sich
von dem Bohrrohr weg erstreckt, wobei das Verbindungsteil und/oder
das Bohrrohr nahe dem Ende des Bohrrohres mehrere beabstandete Schlitze
aufweisen, die am Ende nach außen
offen sind. Das Verbindungsteil wird mit dem Bohrrohr verbunden,
indem zuerst die Schlitze nahe dem Ende des Bohrrohres verschweißt, die
Schweißverbindungen
nahe dem Ende des Bohrrohres kaltgehämmert werden, und anschließend ein
Verschweißen
um das Ende des Bohrrohres und entlang der Schlitze erfolgt.
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Die
Erfindung bietet bedeutende Vorteile im Vergleich mit dem Stand
der Technik. Die Lebensdauer des Bohrstrangs ist im Vergleich mit
Verbindungsverfahren nach dem Stand der Technik erheblich verlängert. Darüber hinaus
erfolgt dies gegenüber
alternativen Verfahren wie dem Spannungsarmglühen wirtschaftlich. Die Möglichkeit
des Verlusts teurer Bohrer in einem Bohrloch ist erheblich verringert.
Gleichzeitig ist der Aufbau der Bohranordnung im Vergleich mit einem
Teil des Standes der Technik tatsächlich vereinfacht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Schallbohrgestells mit in einem
Bohrloch befindlichem Bohrer, wobei das Bohrloch im Schnitt gezeigt ist;
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2 eine
vergrößerte isometrische
Teildarstellung eines Abschnitts des Bohrstrangs von 1, die
eine der Verbindungen zeigt, wobei das Verbindungsteil der unteren
Bohranordnung ungeschweißt dargestellt
ist;
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3 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie 3-3 von 2; und
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4 eine
aufgerollte Seitenansicht der Schlitze eines der Bohrrohre von 2.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Schallbohrgestell 10,
das in diesem Beispiel auf dem hinteren Teil eines Lastkraftwagens 12 angebracht
ist. Wie zuvor erwähnt,
sind Schallbohrer eine Kombination aus drehenden und schwingenden
Bohrern, wobei die Schwingungen im Schallbereich liegen. Das Bohrgestell
ist herkömmlich
und wird daher nicht näher
beschrieben.
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Das
Bohrgestell ist mit einem Bohrstrang 14 verbunden, der
mehrere Bohrrohranordnungen 16, 16.1, 16.2 und 16.3 umfasst,
wobei ein Bohrwerkzeug 20 am unteren Ende zum Bohren eines
Bohrlochs 22 durch Deckgestein 24 oder eine andere
geologische Struktur vorgesehen ist. Die Bohrrohranordnungen sind
an einer Reihe von Rohrverbindungen 18 miteinander verbunden.
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Eine
der Rohrverbindungen 18 ist in den 2 und 3 dargestellt,
wobei die anderen hierzu identisch sind. Die Verbindung umfasst
ein männliches
Gewindeverbindungsteil 26, das in Gewindeeingriff mit einem
komplementären
weiblichen Gewindeverbindungselement 28 steht. Wie am besten in 3 dargestellt,
greift das Gewinde 30 des Teils 26 in das Gewinde 32 des
Teils 28 ein.
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Die
Teile 26 und 28 haben äußere Bereiche 34 bzw. 36,
die an der Verbindung 18 aneinander anliegen, wobei die
Gewinde 30 und 32 auf den äußeren Berei chen ausgebildet
sind. Das Teil 26 hat einen inneren Bereich 38,
der sich von der Schulter 40 zum inneren Ende 42 des
Teils erstreckt und mit dem Rohr 17 zusammengreift, indem
es in diesem Beispiel in das Rohr passt. Jede der Rohranordnungen
umfasst ein Rohr, beispielsweise die Rohre 17 und 17.1 der Rohranordnungen 16 und 16.1.
In diesem Beispiel handelt es sich bei den Rohren um 4 Inch Schedule 40 Rohre,
obwohl andere verfügbare
Rohre ersatzweise verwendet werden können. Die Erfindung ist auch
auf andere Rohrdurchmesser als die in diesem Beispiel verwendeten
4 Inch anwendbar.
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Der
innere Bereich 38 des Verbindungsteils 26 hat
eine Außenfläche 44 mit
einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des
Rohres 17 ist. Der Endbereich 46 des Rohres überlappt
den inneren Bereich 38 des Teils 26 und hat ein
Ende 48, das in 2 dargestellt ist und an der
Schulter 40 anliegt. In diesem Beispiel haben das Rohr 17 und
der äußere Bereich 34 gleiche
Außendurchmesser
auf, um einen gleichmäßigen Durchmesser
auf der Außenseite
des Bohrstrangs 14 zu ergeben.
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Das
Teil 28 hat einen inneren Bereich 50, der sich
von der Schulter 52 zum inneren Ende 54 des Teils
erstreckt. Er hat eine Ausbildung, die derjenigen des Bereichs 38 des
Teils 26 ähnlich
ist, und greift mit dem Endbereich 56 des Rohrteils 17.1 zusammen.
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In
diesem Beispiel bestehen die Teile 26 und 28 aus
Stahllegierungsrohren, wie beispielsweise 4130, mit einem Gehalt
von: 0,35% Kohlenstoff, 1,4% Mangan, 0,3% Silizium, 0,05% Schwefel
und 0,04% Phosphor. Jedoch können
andere Metalle und Legierungen im Austausch verwendet werden.
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Die
Teile werden in diesem bevorzugten Beispiel vor dem endgültigen maschinellen
Bearbeiten warmbehandelt und spannungsarm geglüht. Die inneren Bereiche der
Teile werden in Trockeneis und Aceton gekühlt und die Rohrenden werden
auf 150°C erwärmt, um
die Rohre während
des Zusammenbaus über
die inneren Bereiche der Verbindungsteile zu setzen.
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Wie
am besten in 2 zu erkennen, hat der Endbereich 56 des
Rohrs 17.1 mehrere Schlitze 58. Die Schlitze 58 haben
nahe dem äußeren Bereich 36 des
Verbindungsteils 28 offene Enden 64, die am besten
in 4 erkennbar sind. Die Schlitze erstrecken sich
in Axialrichtung der Rohre 17 und 17.1, das heißt parallel
zu ihrer gemeinsamen Längsachse 62. In
diesem Beispiel sind zwölf
Schlitze umfangsmäßig beabstandet
in dem Rohr 17.1 angeordnet. Es ist ersichtlich, dass die
Schlitze voneinander beabstandet und in diesem Beispiel U-förmig sind.
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In
der Praxis würde
das Verbindungsteil 28 mit dem Bohrrohr 17.1 durch
Verschweißen
entlang jedes der Schlitze 58 und entlang des Umfangs des Endes 76 des
Rohres 17.1 verbunden. Die Verschweißung ist jedoch zu Darstellungszwecken
in 2 verändert
und ist stattdessen nur für
das obere Rohr 17 und das Verbindungsteil 26 dargestellt.
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Schweißverbindungen 77 erstrecken
sich entlang jedes der Schlitze 58, wobei diese die Schlitze
füllen
und das Rohr 17 mit dem Verbindungsteil 26 verbinden.
Das Schweißen
beginnt mit dem Vorsehen von Schweißverbindungen an den offenen
Enden jedes der Schlitze. Diese Schweißverbindungen werden sodann
kaltgehämmert.
Das Kalthämmern weitet
das Material aus, wodurch die Zugbelastung verringert wird. Dies
ermöglicht
mehr Schlitze in den Bohranordnungen, die kürzer als nach dem Stand der
Technik sein können.
Dies unterstützt
das Verringern der durch die Schwingungen verursachten abwechselnden
Belastungen. Es sind mehr Schlitze vorhanden, um die Last zu teilen,
als bei dem die V-Struktur verwendenden Stand der Technik.
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Wie
zuvor beschrieben, überlappt
der dem Ende 48 benachbarte Bereich des Rohrs 17 den
inneren Bereich 38 des Verbindungsteils 26. Die Schweißverbindungen 77 befestigen
das Rohrteil 17 an dem Verbindungsteil 26. Die
Schweißverbindungen
erstrecken sich entlang der Schlitze und sind in der Axialrichtung
des Rohres 17 ausgerichtet.
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Die
Endbereiche der Rohrteile und die Verbindungsteile werden entsprechend
den herkömmlichen
Verfahren zum Schweißen
von Stahllegierungen vorzugsweise auf mindestens 150°C vorgewärmt. Die
Schweißverbindungen 77 haben
in diesem bevorzugten Beispiel eine Abmessung von ¼'' und es werden entweder E7018 Stäbe mit geringem Wasserstoffgehalt
oder Flussmittelkerndraht beim Schweißen verwendet. Die Schweißverbindungen werden
vorzugsweise in Feuer spannungsarm geglüht.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
existieren ferner umfangsmäßige Schweißverbindungen 74 zwischen
dem Ende des Rohres 17 und dem äußeren Bereich 34 des
Verbindungsteils 26. Diese verbinden die Schweißverbindungen 77 miteinander. Ähnliche
umfangsmäßige Schweißverbindungen
befestigen das Rohr 17.1 an dem Verbindungsteil 28.
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Als
weiteres Beispiel könnten
die Rohrteile in den Verbindungsteilen sitzen. In diesem Fall befänden sich
die Schlitze in den Verbindungsteilen.
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Es
ist für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, dass zahlreiche der
zuvor angegebenen Details lediglich beispielhaft sind und nicht
der Begrenzung des Rahmens der Erfindung dienen, der unter Bezugnahme
auf die nachfolgenden Ansprüche
zu interpretieren ist.