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Drehend wirkendes Bohrgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein drehend wirkendes Bohrgerät mit einem Antriebsmotor für denBoh- rer. Tiefe Bohrlöcher in Erde durchfahren stets zahlreiche Gesteinsschichten, die nur selten waagrecht liegen und meistens mit mehr oder weniger grossem Winkel gegenüber der Waagrechten einfallen. Ausserdem haben die verschiedenen Gesteinsschichten stark unterschiedliche Härten und Festigkeitseigenschaften, so dass der zum Durchbohren erforderliche Druck sehr verschieden ist ; infolgedessen weichen die Bohrlöcher an solchen Übergangsstellen zwischen schrägliegenden Gesteinsschichten von der vorher ein- gehaltenen Bohrlochrichtung ab.
Bei den bekannten Rotary-Bohrgeräten werden normalerweise sogenannte Schwerstangen verwendet.
Das sind besonders dickwandige Bohrgestängestangen, denen im allgemeinen bereits eine gewisse stabilisierende Wirkung zugeschrieben wird. Diese Schwerstangen werden aus einzelnen Stangen zusammengeschraubt ; der ganze Schwerstangenstrang ist oftmals sehr lang ; es kommen hiebei Längen zwischen 50 und 200 m vor.
In tiefen Bohrlöchern beträgt der Bohrdruck am Bohrer gewöhnlich einen Bruchteil des Gestängegewichtes. Darum wird das Gestänge übertage soweit angehoben, dass nur ein Teil des Gewichtes ausgeglichen ist und der übrige Teil alsBohrdruck am Bohrer verbleibt. Damit entsteht am Gestänge eine Zone, in der weder eine Zug- noch eine Druckkraft vorhanden ist. Bei der Verwendung von Schwerstangen liegt diese Zone sehr tief, oftmals sogar innerhalb des Schwerstangenstranges. Dies ist auch beabsichtigt, denn durch die Schwerstangen wird der darüberliegende Bohrgestängestrang straff gehalten.
Bohrgestänge und Schwerstangen sind niemals so steif, dass sie nicht aus der geraden Achsenrichtung abweichen könnten. Diese Abweichung aber verursacht ein Taumeln der einzelnen Teile des Gestänges und der Schwerstangen, u. zw. jeweils zwischen den Stellen, an denen eine Durchbiegung stattfindet. Diese abweichenden Teilstränge verursachen am Bohrer ebenfalls ein Taumeln, so dass der Bohrer sehr labil arbeitet. Die Erfahrung hat gezeigt, dass auch bei Verwendung von Schwerstangen die Bohrlöcher keinesfalls gerader werden.
Man könnte die beabsichtigte Stabilisierungswirkung dadurch herbeiführen, dass man an den Verschraubungsstellen der Schwerstangen jedesmal ein Führungsstück vorsieht. So zahlreiche Führungsstücke im Bohrloch sind jedoch umständlich, führen Energieverluste herbei und können auch zu Störungen Anlass geben.
Man spricht sogar davon, dass Schwerstangen eine Kreiselwirkung haben. Bei der Elastizität der Schwerstangen jedoch hat diese Kreiselwirkung eine der Stabilisierung entgegengesetzte Wirkung. Da die einzelnen Schwerstangenabschnitte zwischen den durch Verbiegung am Bohrloch anliegenden Stellen aus der generellen Bohrlochachse abweichen, entsteht bei einer vorliegenden Kreiselwirkung Elongation. Infolge dieser gänzlich unbeabsichtigten Kreiselwirkung wird das Abweichen des Bohrers bzw. sein Taumeln sogar wirksam unterstützt, so dass die notwendige Stabilisierung durch Schwerstangen nicht eintreten kann'.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein unbeabsichtigtes Abweichen der Bohrlochachse an Schichtübergängen zu vermeiden. Nach der Erfindung geschieht dies dadurch, dass am und/oder nahe dem Bohrer eine zusätzliche Schwungmasse angeordnet ist, deren Schwungmoment zum Ausgleich der beim
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Bohrvorgang auf den Bohrer wirkenden seitlichen Abweichkräftepaare dient. Es hat sich ergeben, dass bei Drehzahlen, wie sie unter Verwendung von Bohrturbinen in den Bohrlöchern vorkommen, eine Masse von etwa 2 t ausreicht, um die erforderliche Stabilisierung zu gewährleisten und hinreichend grosse Bohrlöcher bohren zu können.
Die Schwungmasse kann eine andere Drehzahl aufweisen als die Motorwelle. Die Schwungmasse kann aber auch die gleiche Umdrehungszahl wie die Motorwelle erhalten. In diesem Fall ist es zweckmässig, wenn Schwungmasse und Motorwelle aus einem Stück bestehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Schwungmasse als gesonderter Körper auf oder an der Motorwelle angeordnet. Zweckmässig ist dabei die Schwungmasse als Hülse ausgebildet.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Schwungmasse aus einem Material besteht, das ein höheres spez. Gewicht aufweist als das der Motorwelle.
Die stabilisierende Wirkung der Schwungmasse wird gemäss der Erfindung noch dadurch unterstützt, dass oberhalb des Antriebsmotors am Bohrgestänge eine sich an der Bohrlochwandung abstützende Führung angeordnet ist, die das Bohrgestänge in der Bohrlochachse hält. Dabei ist vorteilhafterweise die Führung für das Bohrgestänge nahe dem Antriebsmotor angeordnet.
Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ergibt sich aus dem Kräftespiel, wie es in den Fig. 1-3
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n ab. Ist oben hartes und unten weiches Gestein (Fig. 1), so besteht beim Bohren im Schichtenübergang auf der Bohrlochsohle in bezug auf die Zeichnung links der höhere Gegendruck f gegen den Bohrer und rechts der geringere Gegendruck e. Im Bohrer 3 und im Bohrgestänge 2 entsteht dadurch ein rechtsdre- hendes Kräftepaar g-g das das Gestänge 2 verbiegt und das Bohrloch in Richtung n abweichen lässt.
In Fig. 2 wird gezeigt, wie das Bohrloch nach rechts abweichen muss, wenn unter sonst gleichen Um- ständen die obere Gesteinsschicht weich und die darunterliegende hart ist.
Dieses Abweichen von Bohrlöchern wird nach der vorliegenden Erfindung durch Kreiselwirkung verhindert. Die Wirkungsweise ist in Fig. 3 dargestellt. Auf der Achse k sitzt die umlaufende Masse m. Der Kreisel ist mit seinen Lagerspitzen in Lagern o und p gelagert. Jeder Kreisel hat das Bestreben, seine Drehachse beizubehalten. Wird von aussen her, d. h. durch die Lageround p, der Kreiselachse ein Dreh - moment gl -g, aufgezwungen, so entsteht in der Kreiselmasse ein Kräftespiel, aus dem ein entgegengerichtetes Kräftepaar il-resultiert. Dieses Kräftepaar verhindert das Ausweichen der Kreiselachse in Richtung des Kräftepaares g.-g.-
Die physikalischen Gesetze, nach denen dieses Kräftespiel vor sich geht, sind bekannt.
Wichtig ist lediglich, dass 1. eine genügend grosse Masse diese Kreiselwirkung ausübt, 2. die Drehzahl von Masse, Bohrgestänge und Bohrer hoch genug ist und 3. Kreisel und Bohrgestänge so steif sind, dass sie sich nicht durchbiegen können.
Die Drehzahl beträgt beim Bohren mit Bohrturbinen zirka 400 - 800 Uímin. Dadurch erst wird es möglich, bei dieser Art des Bohrens die Stabilisierung gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgreich anzuwenden ; denn bei dem herkömmlichen Bohren beträgt die Drehzahl nur 50 - 250 U/min, so dass wesentlich grössere Kreiselmassen erforderlich wären, die kaum im Bohrloch unterzubringen sind. Aus demselben Grund kann beim Turbinenbohren das Gestänge mit der Kreiselmasse zwischen Turbine und Bohrer so steif ausgeführt werden, dass keine Durchbiegung erfolgt. Schwerstangen, die beim herkömmlichen Bohren verwendet werden, können die gewünschte Kreiselwirkung nicht ausüben. Sie sind viel zu lang und biegen sich durch, so dass die Bohrlöcher nicht im gewünschten Masse gerade bleiben.
Es ist auch bekannt, dass die notwendigen Stabilisierungswirkungen bei Schwerstangen nicht erreicht werden, wenn man dieselben durch Führungen in der Mitte des Bohrloches hält. Es ist vielmehr notwendig, die Seitenkräfte aufzuheben ; dazu dient der erfindungsgemässe Kreisel.
Nachstehend ist die einfachste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes für Bohrturbinen dargestellt. Solche Bohrturbinen haben, wie es für die Funktion des Erfindungsgegenstandes notwendig ist, eine hohe Drehzahl.
Bei Turbinen und andern Vorort-Antriebsmaschinen für Tiefbohrer mit kleineren Drehzahlen würden zur Erzielung der gleichen Stabilisierungswirkung unverhältnismässig grosse Kreiselmassen notwendig sein. In einem solchen Fall kann man die Kreiselmassen unabhängig von der Turbinenwelle 2 umlaufen lassen und in dem dann notwendig werdenden Getriebe zwischen der Turbine 1 und der Kreiselmasse eine Übersetzung ins Schnelle vorsehen.
Auf diese Weise ist es möglich, auch bei relativ langsam umlaufendenBohrern, was gelegentlich aus bohrtechnischen Gründen gewünscht werden könnte, eine Stabilisierung mit einer Anlage gemäss Erfindung vorzusehen.
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Der Aufbau der Vorrichtung ist in den Fig. 4-7 veranschaulicht. 1 ist die zum Antrieb des Bohrers 3 dienende Eohrturbine, die im Bohrloch 7 unmittelbar über der Bohrlochsohle arbeitet. 2 ist die Turbinenwelle, mit der von der Turbine 1 das Drehmoment auf den Bohrer 3 übertragen wird. 4 ist die umlaufende, als Kreisel wirkende Masse, welche gemäss Fig. 4 lediglich eine Verdickung 5 der Turbinenwelle 2 und somit einen massiven Körper darstellt. Fig. 5 zeigt dagegen beispielsweise, dass diese als Kreisel wirkende, umlaufende Masse auch zusätzlich auf dem Bohrgestänge 2 mit üblichen technischen Mitteln angebracht werden kann.
In der Regel wird die umlaufende Masse aus Stahl bestehen. Bei den gebräuchlichen Bohrlochdurchmessern lassen sich dann Kreisel in der Länge von etwa 7 bis 15 m unterbringen. Es können jedoch ausser Stahl auch andere Materialien zum Aufbau der umlaufenden Masse verwendet werden, sofern man die hohen Kosten dafür aufwenden will. In Betracht kommt Wolfram, das ein 2 1/2 x so hohes spez. Gewicht aufweist als Stahl. In diesem Fall wird der Kreisel kürzer.
Da mit dem Kreisel das im Bohrloch befindliche Gerät (1, 2,3, 4 in Fig. 4) unter Beibehaltung der Achsenrichtung wandern könnte, ist unmittelbar oberhalb dieses Gerätes eine Führung angeordnet. Diese sitzt auf dem nicht an der Drehung des Bohrers 3 teilnehmenden Gestänge 8 ; es besteht aus an sich bekannten Elementen, die sich mit leichtem Druck gegen die Bohrlochwand 7 anlegen. Dadurch wird die Gerätachse genau in der Mitte des Bohrlochs gehalten. In Fig. 4 besteht diese Führung aus spiralförmigen Rippen 9, in Fig. 6 aus Rollen 10, die achsparallel oder schräg zur Achse stehen können. In Fig. 7 besteht die Führung aus einem Ring 11, der durch nicht dargestellte Rippen auf dem Gestänge 8 befestigt ist.
Es ist nicht notwendig, dass bei Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung der Antrieb des Bohrers 3 durch eine Vorort-Bohrturbine erfolgt. Es kann jede beliebige Kraftmaschine an jeder beliebigen Stelle des Gestänges, auch übertage, zur Anwendung kommen, wenn nur die genannten Vorbedingungen für die Funktion des Kreisels gegeben sind.