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Einrichtung zur Überwachung des Drehmomentes bei Bohrgeräten von Tiefbohranlagen.
Die Bestrebungen in der Tiefbohrtechnik gehen dahin. bei drehend ausgeführten Tiefbohrungen, bei welchen das Bohrloch erst nach Abbohren grösserer Strecken mit Bohrrohren ausgekleidet wird, die Arbeitszeit abzukürzen, um die Bohrlochwände nur möglichst kurze Zeit der oft schädlichen Wirkung des Spülwasserstromes auszusetzen und dadurch ein Aushöhlen und Einstürzen der Bohrlochwände zu vermeiden und auch um die Kosten der Bohrarbeit zu vermindern.
Gegenstand der Erfindung ist es nun, das Bohren so zu leiten, dass bei allen Verhältnissen die bestmögliche Bohrleistung erreicht wird. d. h. ständig die grösstmögliche Arbeitsleistung auf die Bohr-
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Drehmoment unabhängig von der Art der durchbohrten Gebirgsschichten während der ganzen Dauer der Bohrarbeit in seiner vom Standpunkte der Materialfestigkeit der Bohrgeräte jeweils zulässigen maximalen Grösse erhalten wird, ohne diese zu überschreiten.
Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, die Höhe des auf das Bohrgerät jeweils ausübbaren Drehmomentes zu kennen und zweckmässig solche Nachlassvorrichtungen für das Tiefersenken des Bohrwerkzeuges während des Bohrens zu verwenden, welche das richtig gewählte Drehmoment aufrecht- erhalten. Nachlassvorrichtungen dieser Art sind an und für sich bekannt. Sie bestehen zumeist aus der Verbindung einer Messvorrichtung für das Drehmoment, eines sogenannten Dynamometers, mit einer
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Waagen, die als hydraulische Feder oder Hebelwaagen ausgebildet werden können und deren Anzeigevorrichtungen Flüssigkeitsmanometer, Zifferblätter oder auch Waagebalken mit Laufgewichten und Skalen sind.
Unbekannt sind dagegen jene Drehmomente, welche auf die Bohrgeräte, insbesondere auf die Bohrgestänge, verschiedener Art bei verschiedenen Tiefen ausgeübt werden können. Diese lassen sich zwar rechnerisch ermitteln, doch ist die Verfolgung dieser Zusammenhänge durch verschiedene Messungen bzw. Ablesungen und Berechnungen während des Bohrens begreiflicherweise nicht gut durchführbar. Gemäss der Erfindung wird nun eine Messvorrichtung benutzt, die ausser dem jeweils wirkenden Drehmoment auch das für das verwendete Bohrgerät höchstzulässige Drehmoment unter Berücksich- tigung der zusätzlichen Beanspruchung, insbesondere durch das Eigengewicht des Bohrgeräts, anzeigt.
Bei der Ausführung von Tiefbohrungen wird zwar mit Bohrgeräten verschiedener Abmessungen gearbeitet, es kommen jedoch immer wieder Geräte gleicher Art zur Anwendung. Es ist daher möglich und zweckmässig, die höchstzulässigen Drehmomente, welche auf verschiedene Geräte, wie Bohrstangen, Bohrrohre usw., ausgeübt werden können, auf dpr Anzeigevorrirhtung der Dynamometer zu vermerken, wodurch eine raschere und unmittelbarer Einstell-und Kontrollmöglichkeit erzielt wird, als wenn diese Daten von Fall zu Fall erst rechnerisch ermittelt oder durch die Einsichtnahme in Tabellen festgestellt werden müssten.
Das bei der Drehbohrarbeit höehstbeanspruchte Gerät ist das Bohrgestänge. Dieses wird durch sein Eigengewicht auf Zug und durch die beim Bohren auftretenden Widerstände gleichzeitig auf Ver-
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einem gewissen Höchstwert am ersten Gestängestück ober Tag. Sie wird vermindert durch den Arbeitsdruck des Bohrwerkzeuges auf der Bohrlochsohle und durch den Auftrieb in der Spülflüssigkeit.
Da jedoch der Arbeitsdruck des Werkzeuges bei gewissen immmer wiederkehrenden Arbeiten, wie beim Erweitern des Bohrloches oberhalb der Sohle oder beim Anheben des Werkzeuges während des Betriebes
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zwecks dessen Befreiung vom Bohrschlamm, aufhört und da das für die Grösse des Auftriebes massgebende spezifische Gewicht der Spülflüssigkeit durch eine eventuelle Vermengung mit zufliessendem Reinwasser, Öl oder Erdgasen vermindert oder auch ganz aufgehoben werden kann, so muss in den meisten Fällen schon aus Gründen der Sicherheit mit einer vollen Auswirkung des Eigengewichtes des Bohrgestänges bei gleichzeitig wirkender Drehbeanspruchung gerechnet werden.
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sich jeweils aus den Zug-und Drehbeanspruchungen ergebende resultierende Beanspruchung massgebend ist, so ergibt sich, dass ein und dasselbe Bohrgestänge auf die Sohle des Bohrloches ein um so geringeres Drehmoment wird übertragen können, je tiefer das Bohrloch ist und dass nach Erreichung einer gewissen Tiefe ein Gestänge mit gleichbleibendem Querschnitt für die Übertragung der Drehbewegung überhaupt nicht mehr verwendet werden kann.
Werden unter Berücksichtigung der Zugbeanspruchung infolge des Eigengewichtes die bei verschiedenen Tiefen höchstzulässigen Drehmomente eines bestimmten Gestänges berechnet und als Abszissen aufgetragen und werden die Einbautiefen des Bohrgestänges als Ordinaten verzeichnet, so ergibt sich eine Kurve gleicher Gesamtfestigkeit des betreffenden Bohrgestänges, die auf die Anzeigevorrichtung
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linien mit der Kurve geben für jede Bohrlochtiefe bzw. Gestängelänge das zulässige Drehmoment an.
Um nun auch in solchen Fällen, wo das Bohrgestänge zwecks Verminderung der Zugbeanspruchung durch sein Eigengewicht und zwecks Erhöhung der Gesamtfestigkeit einen nach oben vergrösserten Durchmesser oder oben grössere Wandstärken erhält oder wo es zwecks Erzielung lotrechter Bohrlöcher zu- sätzlich mit Schwerstangen belastet wird, also das Gesamtgewicht des Gestänges mit der Tiefe des Bohrloches nicht im geraden Verhältnisse wächst, das für ein bestimmtes Gestänge bei verschiedenen Zugbeanspruchungen zulässige Drehmoment ablesen zu können, werden diese als Abszissen oder Kreisbögen. dagegen die Totalgewichte als Ordinaten bzw. Kreisradien aufgetragen.
Auch in diesem Falle ergeben sich für die einzelnen Gestängearten Kurven gleicher Gesamtfestigkeit, deren Schnittpunkt mit den betreffenden Abszissen zur raschen Einstellung der Dynamometer verwendet werden können.
Die Verkleidungsrohre eines Bohrloches werden zwar im allgemeinen nicht zur Übertragung einer Drehbewegung oder einer Kraft auf die Bohrlochsohle verwendet ; sie werden jedoch beim Verschrauben an den Verbindungsstellen auch auf Verdrehung beansprucht, zu welcher Beanspruchung beim anschliessenden Einbau der Rohre in das Bohrloch eine Zugbeanspruchung durch ihr Eigengewicht hinzukommt. Es treten demnach auch in den Verkleidungsrohren, allerdings nur an den Verbindungsstellen, beide Beanspruchungen auf, die eine resultierende Beanspruchung von bestimmter Höhe ergeben.
Da sowohl durch die beim Zusammenschrauben der Rohrstücke auftretenden Drehmomente als auch durch das Eigengewicht der Verkleidungsrohre deren Gewindegänge auf Abscheren beansprucht werden, so dürfen die oberen stark belasteten Rohre nur mit einem entsprechend geringeren Drehmoment verschraubt werden als die unteren, weniger belasteten. Eine solche Verschraubungsart entspricht auch vom Standpunkte des Dichten der Gewindeverbindungen, da der Flüssigkeitsdruck im Bohrloch mit der Tiefe im geraden Verhältnis ansteigt. Auch in diesem Fall lassen sich Kurven gleicher Gesamtbeanspruchung ermitteln, welche zur Feststellung jener Drehmomente dienen, welche bei der gegebenen Gesamtbelastung oder Tiefe zulässig sind und auf die Anzeigevorrichtung eines Dynamometers aufgetragen. zur raschen Einstellung und Kontrolle des Drehmomentes verwendet werden können.
Um die tatsächlich wirksamen Gewichte nicht rechnerisch ermitteln zu müssen, empfiehlt es
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der Drehbohrvorrichtung mittels gemeinsamer Registriervorrichtungen graphisch festzuhalten. Aus den gleichzeitig registrierten Angaben kann der jeweils tatsächliche Arbeitsaufwand der Drehbohrvorrichtung und dessen Veränderung in verschiedenartigen Gebirgsschichten rechnerisch ermittelt werden.
Eine gleichzeitige Registrierung des Gewichtes und des beim Verschrauben der Gestänge und der Rohre ausgeübten Drehmomentes dient auch zur nachträglichen Kontrolle der Versehraubungsarbeit.
Ein Zusammenfassen der verschiedenartigen Registriervorrichtungen zu einem gemeinsamen Aggregat empfiehlt sich insbesondere dann. wenn die Anzeigevorrichtung für das jeweils höchstzuliissige Drehmoment von der Mess-und Anzeigevorrichtung für das Gewicht der Bohrgeräte beeinflusst wird. In diesem Falle kann die Anordnung der erforderlichen Steuervorrichtungen vereinfacht werden.
In der Zeichnung ist in den Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt Zifferblatt und Zeiger eines hydraulischen Manometers, einer Federwaage od. dgl.
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in Kilogramm pro Quadratzentimeter oder andern entsprechenden Einheiten (beispielsweise Pfund pro Quadratzoll od. dgl. ) den am Manometer herrschenden Flüssigkeitsdruck an und dient lediglich zur Kontrolle des richtigen Funktionieren des Manometers im Vergleich mit andern geeichten Vorrichtungen. Die zweite Skala 2 zeigt das Drehmoment als Produkt von Längen und Gewichtseinheiten
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(z. B. Kilogramm mal Zentimeter oder andern Einheiten, wie z. B. Pfund mal engl. Zoll) an. Auf dieser
Skala kann das zulässige Drehmoment, das auf das Gewinde von Bohrgeräten und verschieden grossen
Bohrrohren, d. h. Verkleidungsrohren, ausgeübt werden darf. abgelesen werden.
Zu diesem Zweck sind auf dem Zifferblatt eine Anzahl strichliert gezeichneter Kurven 3 aufgetragen, die nach der in der Bohrtechnik üblichen Kennzeichnung der Grösse der Rohre nach dem Durchmesser, z. B. in engl. Zoll, benannt sind. Desgleichen können auf der Skala 2 die jeweils zulässigen Drehmomente ver- schiedener Bohrgestänge mit Hilfe der voll gezeichneten Kurven 4 direkt abgelesen werden.
Die zulässigen Drehbeanspruchungen sinken mit der Tiefe bzw. der Last des Bohrgestänges. Die verschiedenen Tiefen sind in Form von konzentrischen Kreisen 5 am Zifferblatt kenntlich gemacht.
Werden für verschiedene Tiefen oder Belastungen die Punkte gleicher resultierender Festigkeit aufgetragen und miteinander verbunden, so entstehen die Kurven 3 und 4, nach welchen das Dynamometer eingestellt werden kann.
Soll z. B. das zulässige Drehmoment eines 4Y2 zölligen Gestänges bei 1000 m Tiefe gefunden werden, so muss der Zeiger 6 eine solche Stellung einnehmen, dass seine rechte Begrenzungslinie durch den Schnittpunkt des Tiefenkreises 1000 mit der Kurve 4Y2 hindurch geht. Der Zeiger 6 gibt dann auf der Skala 2 das zulässige Drehmoment, auf welches das Dynamometer eingestellt werden muss, direkt an.
Es ist zweckmässig, die Anzeigevorrichtung mit zwei Zeigern auszustatten, von welchen der eine Zeiger 7 zum Einstellen von Hand aus dient und die Bewegung nicht mitmacht, während der andere bewegliche Zeiger 6 das tatsächlich ausgeübte Drehmoment anzeigt. Die Steuerung ist so zu betätigen, dass sich die beiden Zeiger bei der Arbeit möglichst decken.
In Fig. 2 ist eine Zusammenfassung eines Dynamometers mit einer Wägevorrichtung und einer Anzeigevorrichtung für die Umlaufzahl der Drehbohrvorrichtung bzw. des Bohrgerätes zu einem gemeinsamen Anzeigegerät dargestellt. Es bezeichnen 8 die Anzeigevorrichtung einer Waage, 9 die Anzeigevorrichtung eines Dynamometers und 10 die Anzeigevorrichtung für die Umlaufzahl. Die Wirkungweise der einzelnen Anzeigevorrichtungen bedarf keiner näheren Erklärung.
Alle diese Anzeigevorrichtungen können mit einer gemeinsamen automatisch wirkenden Registrervorrichtung verbunden werden. Sie wirken beispielsweise durch drei Sehreibvorrichtungen bekannter
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Drehbohrvorrichtung in jedem beliebigen Zeitpunkt feststellen. Aus der gleichzeitigen Registrierung des auf die Bohrlochsohle wirkenden Werkzeugdruckes durch die Waage lässt sieh der Zusammenhang zwischen Sohlendruck und Drehmoment bzw. Kraftbedarf für jede durchbohrte Gesteinsschicht ermitteln. Letzteres ist insbesondere dann wichtig, wenn nachträglich festgestellt werden soll, ob in den
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ausgeführt werden sollen, da die Kenntnis des Ergebnisses der ersten Bohrung es ermöglicht, bei den weiteren Bohrungen sogleich mit der zweckentsprechenden Umlaufzahl oder dem günstigen Sohlendruck zu arbeiten.
Es kann die Anzeigevorrichtung auch derart ausgeführt werden, dass sie sich vollkommen selbsttätig einstellt und auch die Nachlassvorrichtung selbsttätig steuert.
Eine selbsttätige Einstellung kann beispielsweise erzielt werden, wenn der Zeiger 7 in Fig. 1 unter die Einwirkung einer das jeweils wirksame Gewicht der Bohrgeräte (zum Unterschied vom Sohlendruck) messenden Waage, die auch ein Manometer sein kann, gestellt wird, welche den Zeiger 7 um so mehr im entgegengesetzten Sinne zur Uhrzeigerbewegung verdreht, je grösser das Eigengewicht der Bohrgeräte bzw. die Tiefe des Bohrloches ist. Hiedurch wird die Veränderung der Grösse des mit zunehmender Tiefe abnehmenden höchst zulässigen Drehmomentes jeweils automatisch richtig angezeigt.
Es ist selbstverständlich, dass an Stelle der Verdrehung des Zeigers 7 auch das Zifferblatt verdreht werden kann und dass bei der Bestimmung des Verstellmechanismus der Anzeigevorrichtung jene Formel berücksichtigt werden muss, welche bei der Berechnung der Kurven gleicher Drehfestigkeit angewendet wurde.
Eine selbsttätige Steuerung der Naehlassvorrichtung durch die Anzeigevorrichtung kann am einfachsten auf elektrischem Wege mittels Schalter erfolgen, welche beispielsweise die Bewegung der Nachlassvorriehtung abstellen, wenn sich die beiden Zeiger 6 und 7 decken, das Bohrwerkzeug tiefer senken, wenn das vom Zeiger 6 angezeigte tatsächlich ausgeübte Drehmoment geringer ist als das vom Zeiger/1 angezeigte höchst zulässige Drehmoment, und das Bohrwerkzeug anheben, wenn der umgekehrte Fall eintritt.
In solchen Fällen, wo neben der Anzeigevorrichtung für das Drehmoment auch Anzeigevorrichtungen für das Gewicht vorhanden sind, können letztere zur Ableitung der Verstellbewegung des Zeigers 7 benutzt werden.
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