钻柱元件以及钻柱的制作方法

本实用新型涉及一种钻柱元件，该钻柱元件用于安装到尤其是用于水平或倾斜定向钻进(HDD或SDD)、用于沿钻孔路线建造钻孔的钻柱中、尤其是用于铺设管道，该钻柱元件具有管状基体，该基体具有两侧的连接元件以用于将所述钻柱元件与所述钻柱连接，其中，所述钻柱元件具有内部空间，用于冲洗所述钻孔的冲洗介质以及通过与钻柱连接的钻头松脱的钻屑的疏散能够通过所述内部空间运送，该钻柱元件在基体的壁中具有至少一个与该内部空间连接的开口，至少一部分流动通过该内部空间的冲洗介质通过所述开口到达在钻孔壁与基体之间的环形空间中。

背景技术：

由EP0360321已知一种钻孔和铺设方法(水平定向钻进)，在该方法中为了无挖掘地铺设管道在沿预先给定的钻孔线受阻碍的情况下利用钻头和钻柱从起点到目标点建造导向孔。通过旋转钻柱来驱动钻头。随后在导向钻柱上在目标侧上设置扩孔器，该扩孔器与待铺设的管道连接。通过旋转钻柱来驱动所述扩孔器。扩孔器的进给在同时拉入管道的情况下通过拉出导向钻柱实现。

在利用HDD方法的导向孔中，所述导向钻头借助钻柱受控制地按照计划的路线走向沿着推动。钻孔液借助由钻柱导向的开口被泵送至钻头。由导向钻头钻落的钻屑与所述钻孔液在那里混合。然后所述钻孔液连同钻屑通过被钻出的钻孔流回至孔的起点或入口点。因为钻头的直径没有显著大于钻柱的外直径，在钻孔与钻柱之间存在有环形空间。在所述环形空间中形成一种流动，钻屑利用所述流动被从钻孔中输送出去。

受流动通道在环形空间中的形状决定地存在如下区域，在这些区域中流动速度几乎趋近于零，一起带走的钻屑沉积在所述区域中，形成所谓的钻屑床。所述沉积物的后果是通过相对于钻孔底部上的钻屑床的摩擦而导致旋转的钻柱的转矩增加。此外，自由的流动横截面减小，流动速度提高并且由此在回流到钻孔的起始侧期间产生较高的压力损耗。所述压力损耗必须通过冲洗泵得以补偿，这导致在导向钻头处排出钻孔液时提高的压力水平。根据存在的基岩或其性质，在钻头处的冲洗液出口上较高的冲洗压力可能又导致基岩的开裂。这导致，未限定的冲洗路径通常可以垂直于水平的钻孔轴线直接朝向表面产生，然后钻孔冲洗液在所述冲洗路径上不受控制地排出。

除未限定冲洗液排出的环境方面之外，所述钻进也必须中断，因为不再能受控制地排出钻屑。所谓的冲洗液井喷仅能耗费地再次被修复，其方式为将添加剂加入到钻孔冲洗液中或封固井喷位置。

实际中，通常提前计算临界的冲洗压力，其方式为将现有的地质数据与压力计算叠加。不允许超过最大值。可以通过在钻头后面的压力传感器测量并监控所述压力。

技术实现要素：

本实用新型的任务是，提供一种钻柱元件以及一种具有该钻柱元件的钻柱，利用其能够实现，将在环形空间中的压力保持在计算的限度之下或将在环形空间或钻柱中存在的压力保持得尽可能小，其方式为可以例如将沉积的钻屑又带入到所述流动中或防止钻屑沉积。

按照本实用新型的任务根据关于钻柱元件的第一种解决方案通过如下方式得以解决，即，在所述外壁上在钻柱元件开口的上方设置有至少一个体，在所述体中至少部分地设置有流动通道，所述流动通道具有至少一个流动路径并且在流动技术上与所述钻柱元件开口经由进入开口连接，所述流动通道在其背离钻柱元件开口的一侧上具有至少一个排出开口，并且钻柱元件开口和/或进入开口的净横截面小于或大于排出开口的净横截面。

按照本实用新型的任务根据关于钻柱元件的解决方案通过如下方式得以解决，该钻柱元件用于安装到用于水平定向钻进、用于沿钻孔路线建造钻孔的钻柱中，该钻柱元件具有管状的基体，该基体具有两侧的连接元件以用于将所述钻柱元件与所述钻柱连接，其中，所述钻柱元件具有内部空间，用于冲洗所述钻孔的冲洗介质以及通过与钻柱连接的钻头松脱的钻屑的疏散能够通过所述内部空间运送，该钻柱元件在基体的壁中具有至少一个与该内部空间连接的钻柱元件开口，至少一部分流动通过该内部空间的冲洗介质通过所述钻柱元件开口到达在钻孔壁与基体之间的环形空间中，其中，在所述外壁上在钻柱元件开口的上方设置有至少一个体，在所述体中至少部分地设置有流动通道，所述流动通道具有至少一个流动路径并且在流动技术上与所述钻柱元件开口经由进入开口连接，所述流动通道在其背离钻柱元件开口的一侧上具有至少一个排出开口，并且钻柱元件开口和/或进入开口的净横截面小于或大于所述排出开口的净横截面，其中，所述排出开口相对于所述钻柱元件的中轴线轴向地设置，其特征在于，所述钻柱元件开口的或进入开口的和排出开口的净横截面是可调节的，在至少两个所述钻柱元件开口、进入开口中、在流动通道内部和/或在排出开口中分别设置有至少一个喷嘴和/或至少一个孔板，至少两个所述喷嘴和 /或至少两个所述孔板构造成可更换的。

设置两种不同的净横截面(其中钻柱元件开口和/或进入开口的净横截面小于排出开口的净横截面)能够以特别简单的方式实现，在喷嘴出口上提供低的压力水平。这确保冲洗介质在排出时较小的流动速度。冲洗介质的排出由此是不太激烈的。在钻柱的内部空间中以及因此在喷嘴出口上存在高的压力水平时存在所述钻孔由于排出的冲洗介质而被扩大的危险。因此出乎意料地已被证明的是：这样以特别简单的方式能将排出的冲洗介质小心地引入到环形空间中。

设置两种不同的净横截面(其中钻柱元件开口和/或进入开口的净横截面大于排出开口的净横截面)能够以特别简单的方式实现，在喷嘴出口上提供较高的压力水平。这确保冲洗介质在排出时较大的流动速度。冲洗介质的排出由此是激烈的。这特别是可以在应该有意识地逐点扬起钻屑时使用，同时在其中建造有钻孔的基岩或钻孔壁的岩石性质如此，使得在钻柱的内部空间中以及因此在喷嘴出口上有高的压力水平时不存在所述钻孔由于排出的冲洗介质而被扩大的危险。

本实用新型的另一种教导规定，所述钻柱元件开口的、进入开口的和/或排出开口的净横截面是可调节的。由此，冲洗介质的所希望的参数可以特别简单地调整/调节。

本实用新型的另一种教导规定，在所述钻柱元件开口、进入开口中、在流动通道内部和/或在排出开口中设置有至少一个喷嘴和/或孔板，其中，优选所述至少一个喷嘴和/或孔板构造成可更换的。借助喷嘴/孔板可以特别简单地提供所希望的排出参数。通过更换喷嘴/孔板，在钻柱元件的运行点上所希望的参数可以特别简单地被调节。由此，根据钻进长度以特别简单的方式补偿钻柱内不同的压力水平。

本实用新型的另一种教导规定，所述排出开口设置在所述体的设置在背侧的侧面中。在此，排出开口这样有利地设置在背侧的侧面上，使得在排出开口上排出的钻孔液将钻屑(所述钻屑由在体上的接纳及运送面接纳且在后端部上离开)被在那里排出的钻孔液带走并且因此又输送给在环形空间中钻孔液的共同的流动并且相应地沿流动方向B 从钻孔中运走。

本实用新型的另一种教导规定，所述排出开口基本上相对于所述钻柱元件的中轴线轴向地设置。由此，所述冲洗介质沿钻柱排出，这导致钻屑的移动，尤其是如果钻屑已沉积。此外，通过将已排出的冲洗介质直接作用到钻孔壁上以避免钻孔扩张。

本实用新型的另一种教导规定，所述至少一个体、优选所述一个体在基体上延伸，从而所述基体的外半径局部地增大并且存在有偏心，通过该偏心，所述钻柱在钻进时能够暂时地被抬起。偏心构造的钻柱元件在每次转动时导致钻柱抬起。由于所述抬起，在钻孔的上面区域中的流动横截面减少，这导致钻孔冲洗液沿钻孔底部流动。由此，又将沉积的钻屑传输给钻孔冲洗液。

本实用新型的另一种教导规定，在所述体上设置有侧面，该侧面构造为用于沉积在钻孔底部上的钻屑的接纳及运送面，其中，侧面优选关于钻孔轴线构造成螺旋形的。由此，沉积的钻屑被接纳并且又输送给钻孔冲洗液。

本实用新型的另一种教导规定，在体中在钻柱元件开口和/或进入开口的上方设置有入口开口，在该入口开口中优选设置有作为闭锁元件的盲法兰。由此以特别简单的方式可以进行喷嘴/孔板的更换或所述喷嘴/孔板的调节。

按照本实用新型的任务根据关于钻柱元件的另一种解决方案通过如下方式得以解决，即，在所述外壁上设置有至少一个体，所述体在基体上延伸，从而所述基体的外半径局部地增大并且存在有偏心，通过该偏心，所述钻柱在钻进时能够暂时地关于钻孔底部被抬起。偏心构造的钻柱元件在每次转动时导致钻柱抬起。通过所述抬起，在钻孔的上方区域中的流动横截面减少，这导致钻孔冲洗液沿钻孔底部流动。由此，沉积的钻屑又被钻孔冲洗液介质周向冲刷并且由此又进入到钻孔冲洗液中。

本实用新型的另一种教导规定，所述至少一个体是恰好一个体或两个、优选对置的体。

本实用新型的另一种教导规定，至少一个与内部空间连接的钻柱元件开口设置在基体的壁中，至少一部分流动通过该内部空间的冲洗介质通过所述钻柱元件开口到达在钻孔壁与基体之间的环形空间中，在所述外壁上在钻柱元件开口的上方设置有体，在所述体中至少部分地设置有流动通道，所述流动通道具有至少一个流动路径并且在流动技术上与所述钻柱元件开口经由进入开口连接，所述流动通道在其背离钻柱元件开口的一侧上具有至少一个排出开口，并且钻柱元件开口和/或进入开口的净横截面小于排出开口的净横截面。

本实用新型的另一种教导规定，所述钻柱元件开口的、进入开口的和/或排出开口的净横截面是可调节的。本实用新型的另一种教导规定，在所述钻柱元件开口、进入开口中、在流动通道内部和/或在排出开口中设置有至少一个喷嘴和/或孔板，其中，优选所述至少一个喷嘴和/或孔板构造成可更换的。本实用新型的另一种教导规定，所述排出开口基本上相对于所述钻柱元件的中轴线轴向地设置。本实用新型的另一种教导规定，在所述体上设置有侧面，该侧面构造为用于沉积在钻孔底部上的钻屑的接纳及运送面，其中，侧面优选关于钻孔轴线构造成螺旋形的。

补充地，表达“和/或”既理解为相应的特征的“和”关系也理解为相应的特征的“或”关系。

附图说明

接下来借助优选的实施例结合其它附图详细阐述本实用新型的解决方案。

其中：

图1示出根据本实用新型的钻柱元件的第一空间视图，

图2示出对图1的空间侧视图，

图3示出对图1的下侧的空间视图，

图4示出对图3带有标记的剖视图，

图5示出根据图1的根据本实用新型的钻柱元件的剖视图，如在图4中显示的那样剖切。

图6示出根据本实用新型的钻柱元件在剖切示出的钻孔中的空间视图，以及

图7示出在环形空间中压力损耗关于体积流量或孔的长度的图表。

具体实施方式

图1至图6示出根据本实用新型的钻柱元件10，该钻柱元件具有构造为管状的基体11。所述基体11在其前端部12上具有阳性的连接元件13并且在其后端部14上具有阴性的连接元件15，这两个连接元件分别设置有相应的螺纹(未示出)。

在基体11的所述外壁16上设置有螺旋状构造的体17。在所述优选的实施例中，所述体17焊接到基体11上。当然也可能的是，所述体通过其它的、对于本领域技术人员已知的连接方式设置在基体11 上。所述体17在侧面18上具有接纳及运送面19，利用所述接纳及运送面在钻柱旋转时(旋转方向A)以及因此也在钻柱元件10旋转时，在钻孔100的底部101上的在基体11的外壁16与钻孔壁103之间的环形空间102中的钻屑(未示出)由接纳及运送面19从钻孔底部101 被接纳并且使其沿接纳及运送面19在旋转钻柱元件10时移动离开底部101，直到钻屑到达接纳及运送面19的后端部20上，在该后端部上钻屑离开接纳及运送面19并且沿流动方向B又输送给流动的钻孔冲洗介质，以便通过环形空间102将钻屑从钻孔100中运走。钻屑的接纳在接纳及运送面19的顶端21上进行。

基体11如在图5中示出那样具有内部空间22。钻孔冲洗液通过所述内部空间22被泵(未示出)反向于流动方向B地运送至钻头(未示出)。钻孔液在钻头处排出并且接纳由钻头松脱的钻屑并且将钻屑通过环形空间102沿流动方向B运送或从钻孔100中运走。为了能够有针对性地提高在环形空间102中的体积流量，在基体11中设置有钻柱元件开口23，该钻柱元件开口通入到流动通道24中。所述流动通道 24具有与钻柱元件开口23对齐的进入开口25。作为替代形式存在如下可能性：进入开口25和钻柱元件开口23具有不同的净横截面。在钻柱元件开口23中设置有喷嘴26，该喷嘴限定钻柱元件开口23的或在所述情况下进入开口25的净横截面。

所述流动通道24在基体11的壁27内部延伸和/或在体17中延伸直至排出开口28。在排出开口28中同样设置有喷嘴29，该喷嘴限定排出开口28的净横截面。作为替代形式，也可以设置孔板以代替喷嘴。

排出开口28设置在体17的在后侧设置的侧面30中。在此，所述布置结构相对于钻孔中心轴向地设置。例如当钻孔壁没有被钻孔液的排出的射束剥落时，对此沿径向方向的射入同样是可能的。

进入开口25或在进入开口25的区域中的流动通道24延伸直至体 17的上侧31，以便提供通向进入开口25或钻柱元件开口23的入口，通过该入口可更换喷嘴26。在所述入口开口32中设置有盲法兰33。所述盲法兰是可拆卸的，以便能够更换喷嘴26。

在此，具有喷嘴29的排出开口28这样设置在背侧的侧面30上，使得在喷嘴29上排出的钻孔液将钻屑(所述钻屑由接纳及运送面19 接纳且在后端部20上离开)被在那里排出的钻孔液带走并且因此又输送给在环形空间102中钻孔液的共同的流动并且相应地沿流动方向B 从钻孔100中运走。

如果在一个钻柱中设置有多个钻柱元件10，则可能的是，给每个 /多个所述钻柱元件10装配由喷嘴26和29组成的单独的一套喷嘴，以便于是使钻孔液在钻孔100中的排出分别适配于各个安装地点。

通过在钻柱中设置多个钻柱元件10，在环形空间中的体积流量逐点地(Punktuell)提高。这在图7中通过锯齿曲线表示。由此可能的是，减少在环形空间中的压力损耗，这导致总体上看在钻头上需要较少的体积流量被引入到环形空间中，由此可以降低压力损耗并且降低泵功率。

从钻头出发，在每个钻柱元件10上的环形空间102中的体积流量提高了之前调节了的体积流量。在图7中示出的锯齿曲线仅用于指明方向，以便阐明，分别在哪个点上将钻柱元件10安装到钻柱中。所述压力损耗不能从所述曲线中读出。

在图7中示出的示例中，在总钻孔长为1500米时各钻柱元件10 装入到钻柱4中。在此，各个钻柱元件10的净横截面/喷嘴26、29选择/调节成，使得在每个钻柱元件10上在排出开口28上每分钟分别排出200升。在钻头本身上存在有每分钟1000升的体积流量。这得到总共每分钟1800升的体积流量。出乎意料地已被证明的是：根据曲线“求和的压力损耗”在总钻孔长度为1500m的情况下在环形空间中产生1.8 巴的压力差。在环形空间中出乎意料地减少几乎2巴，显著地减少井喷的风险。同时显著降低磨损并且能源成本通过减少的泵功率而明显降低。

附图标记列表

10 钻柱元件，

11 基体，

12 前端部，

13 连接元件，

14 后端部，

15 连接元件，

16 外壁，

17 体，

18 侧面，

19 接纳及运送面，

20 后端部，

21 顶端，

22 内部空间，

23 钻柱元件开口，

24 流动通道，

25 进入开口，

26 喷嘴，

27 壁，

28 排出开口，

29 喷嘴，

30 侧面，

31 上侧，

32 入口开口，

33 盲法兰，

100 钻孔，

101 底部，

102 环形空间，

103 钻孔壁，A旋转方向，

B 在环形空间中的流动方向。