NO760107L

NO760107L -

Info

Publication number: NO760107L
Application number: NO760107A
Authority: NO
Inventors: R W Mcqueen; Jr R W Ruhe
Original assignee: Dresser Ind
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-08-27
Also published as: FR2302409B3; FR2302409A1; US3920090A; CA1050004A; SE7602355L; DE2608072A1

Description

Fremgangsmåte og anordning forMethod and device for

boring av hull i jordformas joner.drilling holes in soil forms ions.

Denne oppfinnelse angår generelt boring av hull i jordoverflaten under anvendelse av luft som sirkulasjonsmedium, og spesielt en fremgangsmåte og anordning som gjør det mulig å skifte mellom et trykksystem, et vakuumsystem.og et uendelig antall kombinasjoner av trykk og vakuum ved boring av hull i jordformas joner. This invention generally relates to drilling holes in the earth's surface using air as a circulation medium, and in particular a method and device which makes it possible to switch between a pressure system, a vacuum system and an infinite number of combinations of pressure and vacuum when drilling holes in soil forms ions.

Det er kjent å anvende luft som borefluidum for sirkulering av borekaksen til jordoverflaten. Det er også kjent å bruke et vakuumsystem for fjerning av borekaksen istedenfor å anvende trykkluft. Såvidt søkeren kjenner til er det imidlertid ikke tid-ligere kjent å benytte en styrt kombinasjon av et vakuumsystem og et trykkluftsystem lik systemet ifølge foreliggende oppfinnelse, It is known to use air as a drilling fluid for circulating the drill cuttings to the ground surface. It is also known to use a vacuum system for removing the drill cuttings instead of using compressed air. As far as the applicant is aware, however, it is not previously known to use a controlled combination of a vacuum system and a compressed air system similar to the system according to the present invention,

for mer effektiv fjerning av borekaks.for more efficient removal of drilling cuttings.

Det er følgelig et hovedformål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret fremgangsmåte og anordning hvor luft benyttes som sirkulasjonsmedium i et boresystem. It is consequently a main purpose of the present invention to provide a new and improved method and device where air is used as circulation medium in a drilling system.

Det er videre et formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe én ny og forbedret fremgangsmåte og anordning for å fremskaffe opti-malisert balanse mellom trykkluft og vakuum som benyttes i en brønn-boreanordning. It is also an object of the invention to provide a new and improved method and device for obtaining an optimized balance between compressed air and vacuum which is used in a well drilling device.

Et ytterligere formål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en ny og forbedret fremgangsmåte~og anordning ved boreoperasjoner, som gjør det enklere å skifte mellom sirkulasjons-systerner basert på trykkluft, vakuum, og trykk-vakuum. A further purpose of the present invention is to provide a new and improved method and device for drilling operations, which makes it easier to change between circulation tanks based on compressed air, vacuum, and pressure-vacuum.

Disse formål oppnås generelt ved en fremgangsmåte og anordning som anvender en felles trykkluftkilde for frembringelse bå-de av trykkluftdelen og vakuumdelen i et felles boresystem, samt en mellomliggende fordelingsventil som muliggjør forskjellige kombinasjoner av trykkluft og vakuum som sirkulasjonsfluidum i et boresystem. These purposes are generally achieved by a method and device that uses a common source of compressed air for generating both the compressed air part and the vacuum part in a common drilling system, as well as an intermediate distribution valve that enables different combinations of compressed air and vacuum as circulation fluid in a drilling system.

Ovennevnte samt andre formål, trekk og fordeler ved fore liggende oppfinnelse vil fremgå av følgende beskrivelse og tegning, hvor.: Figur 1 er et oppriss, delvis i snitt, av boresysternet ifølge foreliggende oppfinnelse, og Figur 2 er et skjematisk riss delvis i snitt, som viser sirkulasjonssvivelen og borkronen festet til det dobbeltveggede borerør ifølge foreliggende oppfinnelse. På figur 1 er en grunnboringsmaskin,. generelt angitt ved henvisningstallet 12, vist plasert på et borested. Grunnborings-maskinen 12 innbefatter et boretårn 8 som utgjør en bæreramme. Et bevegelig drivhode eller en vandreramme 3 er montert for bevegelse langs tårnet 8. En borestrengenhet 10 er forbundet med drivhodet 3. Borstrengen 10 som er vist mer detaljert i fig. 2, omfatter et av to konsentriske rør bestående dobbeltvegget borerør, f-eks. som vist i US patent nr. 3 208 539. The above as well as other purposes, features and advantages of the present invention will be apparent from the following description and drawing, where: Figure 1 is an elevation, partly in section, of the drilling rig according to the present invention, and Figure 2 is a schematic drawing partly in section, which shows the circulation swivel and the drill bit attached to the double-walled drill pipe according to the present invention. Figure 1 shows a foundation drilling machine. generally indicated by the reference numeral 12, shown positioned at a drilling site. The ground drilling machine 12 includes a derrick 8 which forms a support frame. A movable drive head or a walking frame 3 is mounted for movement along the tower 8. A drill string unit 10 is connected to the drive head 3. The drill string 10 which is shown in more detail in fig. 2, comprises one of two concentric tubes consisting of double-walled drill pipe, e.g. as shown in US Patent No. 3,208,539.

En svivel 11 som er vist i større detalj i fig. 2, er forbundet med borstrengens topparti og er på sin side festet til en fleksibel slange 13 som løper over et bærehjul 1 som er opphengt fra et par blokkskiver 5 og 6 festet til tårnet 8. Bærehjulets 1 radius tilsvarer omtrent bøyeradien til slangen 13. Dette gir en jevn strømningsradius for borekaks gjennom slangen 13. Bærehjulet 1 er roterbart opplagret på en aksel 14. Akselen 14 er forbundet med blokkskivene 5 og 6 over en forbindelses line 4. Forbindelses-linen 4 er også festet til en motvekt 7. Motvekten 7 gir en mot-vektskraft omtrent tilsvarende vekten av slangen 13. A swivel 11 which is shown in greater detail in fig. 2, is connected to the top part of the drill string and is in turn attached to a flexible hose 13 which runs over a carrier wheel 1 which is suspended from a pair of block discs 5 and 6 attached to the tower 8. The radius of the carrier wheel 1 corresponds approximately to the bending radius of the hose 13. This provides a uniform flow radius for drilling cuttings through the hose 13. The carrier wheel 1 is rotatably supported on a shaft 14. The shaft 14 is connected to the block discs 5 and 6 via a connecting line 4. The connecting line 4 is also attached to a counterweight 7. The counterweight 7 provides a counterweight force roughly equivalent to the weight of the hose 13.

Den fleksible slange 13 er i sin andre ende forbundet med induksjonsinnretningen som generelt er angitt ved tallet 15. Slike innretninger er f.eks. kjent fra US patent nr. 3 031 127. Nedre ende av induksjonsinnretningen 15 er forbundet med et standrør 9 som ved hjelp av en klemme 16 er festet til tårnet 8. The flexible hose 13 is connected at its other end to the induction device which is generally indicated by the number 15. Such devices are e.g. known from US patent no. 3 031 127. The lower end of the induction device 15 is connected to a standpipe 9 which is attached to the tower 8 by means of a clamp 16.

Utløpsledningen 22 til en luftkompressor 21 er forbundet med innløpet 23 til en fordelingsventil som er generelt angitt ved tallet 24. En av utløps ledningene til fordelingsventilen 24 er forbundet med luftledningen 25 til motiveringsluftinnløpet 26 på induksjonsinnretningen 15. Det andre utløpet til fordelingsventilen 24 er ved hjelp av en luftledning 27, fortrinnsvis en fleksibel slange, forbundet med innløpet 28 til svivelen 11. Fordelingsventilen 24 innbefatter en rotor 29 som kan roteres av en operatør for å kontrollere hvorvidt luft strømmer gjennom ledningen 25 eller 27 samt graden av slik gjennomstrøning. The outlet line 22 of an air compressor 21 is connected to the inlet 23 of a distribution valve which is generally indicated by the number 24. One of the outlet lines of the distribution valve 24 is connected to the air line 25 of the motivation air inlet 26 of the induction device 15. The other outlet of the distribution valve 24 is by means of of an air line 27, preferably a flexible hose, connected to the inlet 28 of the swivel 11. The distribution valve 24 includes a rotor 29 which can be rotated by an operator to control whether air flows through the line 25 or 27 and the degree of such flow.

Lufttrykkventiler 51 og 52 er anordnet henholdsvis i luft-ledningene 27 og 25 . Air pressure valves 51 and 52 are respectively arranged in the air lines 27 and 25.

På figur 2 er svivelen 11 vist i større detalj. Svivelen 11 innbefatter et hus 31 som omgir det dobbeltveggede borerør 10 og er innrettet til å holdes stasjonært i forhold til det bevegelige drivhode 3 (vist i fig. 1) mens borerøret 10 kan rotere i hu-set. Et par pakningselementer 32 og 33 er anordnet for avtetting av trykkluften som innføres gjennom innløpsåpningen 28 og hindrer således lekkasje av trykkluft fra husets 31 indre. Et antall åpninger, vist/som åpninger 34 og 35, er beliggende mellom pak-ningsringene 32 og 33 i ytterveggen 3.6 til den konsentriske bore-rørenhet 10. Åpningene 34 og 35 utgjør således organer som gjør det mulig for trykkluften som kommer inn ved innløpsåpningene 28 å strømme fra husets 31 indre til ringrommet 39 mellom den ytre bore-rørvegg 36 og den indre borerørvegg 37. Figure 2 shows the swivel 11 in greater detail. The swivel 11 includes a housing 31 which surrounds the double-walled drill pipe 10 and is designed to be held stationary in relation to the movable drive head 3 (shown in Fig. 1) while the drill pipe 10 can rotate in the housing. A pair of sealing elements 32 and 33 are arranged to seal the compressed air which is introduced through the inlet opening 28 and thus prevent leakage of compressed air from the interior of the housing 31. A number of openings, shown/as openings 34 and 35, are located between the sealing rings 32 and 33 in the outer wall 3.6 of the concentric drill-pipe unit 10. The openings 34 and 35 thus constitute organs that make it possible for the compressed air that enters at the inlet openings 28 to flow from the interior of the housing 31 to the annulus 39 between the outer drill pipe wall 36 and the inner drill pipe wall 37.

En borkroneenhet, vist generelt ved tallet 38, er festet til nedre ende av borstrengenheten 10. Bbrkroneenheten 38 kan væ-re av hvilken som helst kjent konstruksjon som tillater kommunika-sjon mellom det ytre ringrom 39 og borehullet, samt mellom borehullet og det indre ringrom 40 gjennom hvilket borekaksen returneres til jordoverflaten.. Om ønskelig kan borkronen 38 være av en konstruksjon som angitt i US patent nr. 3 208 5 39. A drill bit unit, shown generally by the number 38, is attached to the lower end of the drill string unit 10. The drill bit unit 38 can be of any known construction that allows communication between the outer annulus 39 and the borehole, as well as between the borehole and the inner annulus 40 through which the drill cuttings are returned to the earth's surface. If desired, the drill bit 38 can be of a construction as stated in US patent no. 3 208 5 39.

En pakningsenhet 42 er plasert mellom brønnboreenhetens utside og veggen 43 i borehullet av grunner som forklares nedenfor. A packing unit 42 is placed between the outside of the well drilling unit and the wall 43 in the borehole for reasons explained below.

Med hensyn til virkemåten av apparatet ifølge figurene 1 og 2 skal det bemerkes at dersom ikke pakningen 42 vist i figur 2 danner en god tetning mellom borstrengen 10 og veggen 43 i borehullet, vil innføring av trykkluft i ringrommet 39 etter all sann-synlighet føre til at borekaksen 41 strømmer forbi pakningen 42 istedenfor opp gjennom midtrommet 40 i borerøret. Søkeren har en-kelte ganger hatt problemer med å skaffe en god tetning ved bruk av pakningen 42, særlig ved boring under arktiske forhold i områ-der med permafrost og i andre ukonsolliderte formasjoner. With regard to the operation of the apparatus according to Figures 1 and 2, it should be noted that if the gasket 42 shown in Figure 2 does not form a good seal between the drill string 10 and the wall 43 in the borehole, the introduction of compressed air into the annulus 39 will in all probability lead to that the drill cuttings 41 flow past the gasket 42 instead of up through the middle space 40 in the drill pipe. The applicant has occasionally had problems in obtaining a good seal when using the gasket 42, particularly when drilling under arctic conditions in areas with permafrost and in other unconsolidated formations.

Søkeren har imidlertid funnet, at dersom man holder vakuumet eller undertrykket i det midtre ringrom 40 sterkere eller større enn . trykkluften i ringrommet 39, basert på pr. volumenhet, vil borekaksen 41 strømme opp gjennom ringrommet 40 istedenfor å unnslippe forbi pakningen eller tetningen 42. The applicant has found, however, that if you keep the vacuum or negative pressure in the central annulus 40 stronger or greater than . the compressed air in the annulus 39, based on volume unit, the drill cuttings 41 will flow up through the annulus 40 instead of escaping past the gasket or seal 42.

Boringen av et hull påbegynnes med det bevegelige drivhode 3 nær toppen av tårnet 8. Borstrengen 10 roteres og borkronen ved bunnen av borstrengen 10 desintegrerer jordformasjonene for dannelse av det ønskede borehull. Ettersom borehullet trenger dypere ned i grunnen beveges drivhodet 3 nedover. Idet. trykkluft og/eller vakuum bevirker at borekaksen strømmer opp gjennom midtrommet 40., vil borekaksen og rester fra borehullet strømme °PP gjennom den fleksible slange 13 inn i induksjonsinnretningen 15 og ut gjennom det buede standrør 9 enten til jordoverflaten eller inn i en oppsamlingsvogn. Bærehjulet 1 bærer forbindelsesslangen 13. Under drivhodets 3 bevegelse nedover dreier bærehjulet 1 på aksen 14 slik at forbindelsesslangen får en jevn bue. Motvekten 7 utøver en løftekraft på bærehjulet 1 og opprettholder et svakt strekk i begge ender av forbindelsesslangen 13. Forbindelsesslangen 13 holdes i vertikal stilling under drivhodets 3 bevegelse i tårnet 8. The drilling of a hole is started with the movable drive head 3 near the top of the tower 8. The drill string 10 is rotated and the drill bit at the bottom of the drill string 10 disintegrates the soil formations to form the desired drill hole. As the drill hole penetrates deeper into the ground, the drive head 3 is moved downwards. The idea. compressed air and/or vacuum causes the drill cuttings to flow up through the central space 40., the drill cuttings and residues from the borehole will flow °PP through the flexible hose 13 into the induction device 15 and out through the curved stand pipe 9 either to the ground surface or into a collection vehicle. The carrier wheel 1 carries the connecting hose 13. During the downward movement of the drive head 3, the carrier wheel 1 turns on the axis 14 so that the connecting hose has a smooth arc. The counterweight 7 exerts a lifting force on the carrier wheel 1 and maintains a slight tension at both ends of the connecting hose 13. The connecting hose 13 is held in a vertical position during the movement of the drive head 3 in the tower 8.

Som vist i figur 1 styrer operatøren mengden av luft som strømmer til svivelen 11 samt til induksjonsinnretningen 15 ved å dreie rotoren 29. Ventilen 51 i luftledningen 27 som fører til svivelen 11 samt ventilen 52 i luftledningen 25 som fører til in-duks jonsinnretningen 15 utgjør organer for styring og kontroll av trykkluften som innføres i ringrommet 39 og undertrykket som dannes i det midtre ringrom 40. Ventilen 5 2 som angir trykkluft i ledningen 25 kan ved hjelp av kalibreringsdiagrammer enkelt korre-leres med undertrykket som dannes av induksjonsinnretningen 15. Når således borstammen 10 og borkronen 38 roteres ned i jordens overflate under boring av et hull regulerer operatøren rotoren 29 for å frembringe den ønskede, for. boreoperasjonen gunstige kombinasjon av trykkluft og undertrykk. Søkeren har også oppdaget at alt etter hva slags formasjoner som bores, vil det noen ganger væ-re fordelaktig bare å bruke trykkluft og andre ganger bare undertrykk. Ved slike tilfeller dreies rotoren 29 i den ene eller andre retning for å frembringe den ønskede virkning. Det skal også bemerkes at en annen måte å bestemme når undertrykket overstiger trykkluften er å observere hvorvidt borekaksen søker å unnslippe forbi pakningen 42, eller alternativt dersom pakningen 42 ikke benyttes, hvorvidt borekaksen blåses ut av borehullet på utsiden av borerørenheten 10. As shown in Figure 1, the operator controls the amount of air that flows to the swivel 11 and to the induction device 15 by turning the rotor 29. The valve 51 in the air line 27 that leads to the swivel 11 and the valve 52 in the air line 25 that leads to the induction device 15 form organs for managing and controlling the compressed air that is introduced into the annulus 39 and the negative pressure that is created in the central annular space 40. The valve 5 2 that indicates compressed air in the line 25 can be easily correlated with the negative pressure that is created by the induction device 15 with the help of calibration diagrams. the drill stem 10 and the drill bit 38 are rotated down into the earth's surface while drilling a hole, the operator adjusts the rotor 29 to produce the desired, for. the drilling operation favorable combination of compressed air and negative pressure. The applicant has also discovered that, depending on the type of formations being drilled, it will sometimes be advantageous only to use compressed air and other times only negative pressure. In such cases, the rotor 29 is turned in one or the other direction to produce the desired effect. It should also be noted that another way to determine when the negative pressure exceeds the compressed air is to observe whether the drill cuttings seek to escape past the gasket 42, or alternatively if the gasket 42 is not used, whether the drill cuttings are blown out of the drill hole on the outside of the drill pipe unit 10.

Det er således ovenfor beskrevet foretrukne utførings-former av foreliggende oppfinnelse innbefattende forskjellige fremgangsmåter og anordninger i forbindelse med styring av et boresystem som gjør det mulig å skifte sirkulasjonssysternet fra vakuum til trykkluft og forskjellige kombinasjoner av vakuum-trykk-sirkulasjon. En fagmann på området vil imidlertid se at modifika-sjoner av de foretrukne utføringsformer lett kan utføres basert på ovenstående detaljerte beskrivelse. Selvom f.eks. den foretrukne utføringsform benytter et dobbeltvegget, av konsentrisk an-ordnede rør bestående borerør, innbefatter oppfinnelsen også bruk av enkeltvegget borerør hvor trykkluft kan strømme ned gjennom ringrommet utenfor borerøret til bunnen av borehullet og vakuum kan induseres i midtløpet som løper tilbake opp gjennom borerøret. En fagmann vil videre innse at selvom der ved den foretrukne utfø-ringsform benyttes et roterende boresystem, er systemet også an-vendbart for borestrenger av slagtypen og borkroner som ikke kre-ver at borstrengen og borkronen roterer. Det skal også forstås at selvom det ikke er illustrert kan organer være anordnet for å sik-re, at vakuumet eller undertrykket som dannes i midtløpet, alltid overstiger mengden av trykkluft ved bruk av passende stoppinnret-ninger og andre styreorganer i fordelingsventilen samt anvendes for å fordele luft fra kompressoren til organene for frembringelse av trykkluft og vakuum. Preferred embodiments of the present invention have thus been described above, including various methods and devices in connection with controlling a drilling system which makes it possible to change the circulation system from vacuum to compressed air and various combinations of vacuum-pressure circulation. A person skilled in the art will, however, see that modifications of the preferred embodiments can easily be carried out based on the above detailed description. Although e.g. the preferred embodiment uses a double-walled drill pipe consisting of concentrically arranged pipes, the invention also includes the use of single-walled drill pipe where compressed air can flow down through the annulus outside the drill pipe to the bottom of the drill hole and a vacuum can be induced in the middle course which runs back up through the drill pipe. A person skilled in the art will further realize that although in the preferred embodiment a rotary drilling system is used, the system is also applicable for drill strings of the impact type and drill bits which do not require the drill string and the drill bit to rotate. It should also be understood that, although it is not illustrated, devices can be arranged to ensure that the vacuum or negative pressure that is formed in the middle stroke always exceeds the amount of compressed air by using suitable stop devices and other control devices in the distribution valve, as well as being used to distribute air from the compressor to the means for producing compressed air and vacuum.

Claims

1. Device for drilling a hole in soil formations, comprising a drill pipe string with a central longitudinal run, a drill bit attached to the lower end of the drill pipe string, characterized by means (11) for introducing compressed air into the bottom of the hole being drilled, means (15) to form a vacuum through the middle run of the drill pipe string for circulating cuttings from the bottom of the hole being drilled, as well as means (24) for simultaneously varying the means for introducing compressed air and the means for creating a vacuum.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that the means (24) for simultaneous variation comprise a distribution valve for distribution of a common source of compressed air between the means for introducing compressed air and the means for creating a vacuum.

3. Device as stated in claim 1, characterized in that the drill pipe comprises double-walled, concentric pipes with a second run concentric with the center run for transferring compressed air from the ground surface to the surroundings of the drill bit.

4. Method for drilling a hole in soil formations, comprising rotating a drill pipe string with a central longitudinal run and a drill bit down into the soil formation, characterized by introducing compressed air into the bottom of the drilled hole, creating a vacuum in the central longitudinal run to the drill pipe string, bg simultaneous variation of the amount of compressed air and the size of the vacuum.