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Aus mehreren Sektionen zusammengesetzter Drehbohrmotor für
Erdtiefbohrungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen im Bohrloch unmittelbar über dem Bohrwerkzeug angeordeten, aus mehreren Sektionen zusammengesetzten Drehbohrmoi. ur fur Erdtiefbohrungen mit in einem rohrför- migen Gehäuse drehbar gelagerter Antriebswelle für das Bohrwerkzeug.
Bekanntlich haftet dem Rotary-Bohren der grundsätzliche Nachteil an, dass die Antriebsleistung mit einem geringen Wirkungsgrad vo. i übertägigen Motoren über ein langes, als Welle dienendes Bohrgestän- ge dem Bohrwerkzeug auf der Sohle zugeführt wird. Um diese verfahrensbedingte Unzulänglichkeit in der Übertragung der Antriebsleistung auszuschalten, ist während der letzten dreissig Jahre ein Bohrverfahren entwickelt worden, bei dem der Antrieb von einem elektrisch oder hydraulisch angetriebenen Drehbohr- motor (Turbine) aus erfolgt, der im Bohrloch selbst unmittelbar über dem Meissel am Gestänge angebracht wird. Bei der hydraulischen Turbine durchfliesst der Spülungsstrom die Laufkanäle der Turbine und versetzt ihren Rotorteil und damit das Bohrwerkzeug in Umdrehung.
Um ein für bestimmte Anforderungen optimales Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl zu erreichen, werden in jüngster Zeit diese sogenannten Bohrturbinen aus mehreren Sektionen zusammengesetzt, wodurch eine erhebliche Steigerung der Bohrleistung erzielt wird.
Hiezu wurde auch schon vorgeschlagen, für das gezielte oder gerichtete Bohren, das insbesondere in den Fällen angewandt wird, bei denen es nicht möglich ist, die zu erbohrende Stelle unter Tage mittels einer einfachen vertikalen Bohrung zu erreichen, beispielsweise, wenn diese Stelle sich unter einem See, unter Wohnsiedlungen, unter Industrieanlagen od. dgl. befindet, über der Turbine am unteren Ende des Gestänges ein gekrümmtes Gestängerohr oder Übergangsstück anzuordnen, das an der Abweichungsstelle von der Vertikalen an der Bohrlochwandung anliegt, wodurch das Bohrwerkzeug gegen die gegenüberliegende Wand geführt wird, so dass der Meissel allmählich in der gewünschten, von der Vertikalen abweichenden Richtung ins Gebirge eindringt.
Bei dieser Einrichtung ist aber infolge der relativ grossen Länge der Bohrturbine der Abstand zwischen dem Meissel und der Stelle, an der das gekrümmte Gestängerohr oder Übergangsstück an der Bohrlochwand anliegt, verhältnismässig gross und daher die Führung des Bohrwerkzeuges ungenügend, so dass insbesondere bei ungleichmässiger Härte des Gebirges die Ablenkung des Meissels in die gewünschte Richtung nicht im geforderten Ausmass gegeben ist.
Gemäss einem andern bekannten Vorschlag ist am unteren Teil der Turbine über dem Meissel ein Gleitschuh angeordnet, der sich an der Bohrlochwand abstützt und dadurch eine konstante, zur Bohrlochachse senkrecht stehende Kraft auf den Meissel ausübt, die den Meissel in der gewünschten Richtung von der Vertikalen ablenken soll. Infolge der mit gerader Achse ausgebildeten verhältnismässig langen Bohrturbine muss der Ablenkwinkel aus der Vertikalen verhältnismässig klein gehalten werden bzw. muss, um ein etwaiges die Wirkung der Turbine beeinträchtigendes, zu starkes Durchbiegen derselben zu vermeiden, das Bohrloch mit wesentlich grösserem Durchmesser als der Durchmesser der Turbine ausgebildet werden.
Die Erfindung gibt nun für einen zwischen Gestänge und Bohrwerkzeug angeordneten, aus mehreren Sektionen zusammengesetzten Drehbohrmotor mit in einem rohrförmigen Gehäuse drehbar gelagerter Welle eine neue Lösung an, die eine sichere Führung des Bohrwerkzeuges gewährleistet und bei verhältnismässig nur wenig grösserem Durchmesser des Bohrloches gegenüber dem Durchmesser des Bohrmotors ei-
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nen verhältnismässig grossen Ablenkwinkel zulässt. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass das Gehäuse und/oder die Welle im Bereich des Antriebsaggregates wenigstens einfach abgewinkelt ist. Dabei kann der Bohrmotor eine vielstufige hydraulische Bohrturbine oder auch ein elektrischer Motor sein.
Für einen beispielsweise als hydraulische Bohrturbine ausgebildeten Bohrmotor mit abgewinkeltem
Gehäuse und abgewinkelter Welle wird in zweckmässiger Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Abwinkelung an der Verbindungsstelle oder nahe der Verbindungsstelle zweier mit Lauf- und Leitradbeschau- felung versehener sogenannter Motorsektionen vorzunehmen. Ebensogut kann die Abwinkelung aber auch an der Verbindungsstelle oder nahe der Verbindungsstelle der beiden untersten Sektionen erfolgen. Dabei kann die unterste Sektion mit der gesamten Spurlagerung als sogenannte Lagersektion ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Abwinkelung etwa in der Mitte der Motor- oder Lagersektion vorgenommen wird.
Eine zweckmässige und einfache Ausbildung der erfindungsgemässen Einrichtung lässt sich dadurch erreichen, dass wenigstens zwei aufeinanderfolgende Sektionen des Bohrmotors mittels eines Zwischenstükkes miteinander verbunden werden und dass das Gehäuse und die Welle an wenigstens einer der beiden Verbindungsstellen mit den anschliessenden Sektionen im Bereich dieses Zwischenstücks selbst abgewinkelt wird. Eine besonders einfache Ausbildung ergibt sich beispielsweise dann, wenn das Zwischenstück etwa als kurzes gerades Rohrstück ausgebildet wird, das an wenigstens einer Stirnfläche schräg abgeschnitten ist. Dabei brauchen dann die einzelnen Wellenstücke nur etwa mittels einer einfachen winkelbeweglichen Steck-oder Zahnkupplung miteinander verbunden werden, um auch die gewünschte Abwinkelung der Welle zu erreichen.
Bei starker Knickung der Welle ist es vorteilhaft, oberhalb der Knickstelle der Welle zur Aufnahme des Achsschubes und unterhalb zur Aufnahme des axialen Bohrdruckes Axiallager anzuordnen, so dass die Sektionen von Biegeschwingungen entlastet werden.
Eine Möglichkeit, die gewünschte Ablenkung des Bohrwerkzeuges zu erreichen, ergibt sich auch für einen Bohrmotor mit nur abgewinkelter Welle. Hiezu wird vorgeschlagen, die Welle an der Verbindungsstelle oder nahe der Verbindungsstelle der untersten Sektion, die etwa als Lagersektion ausgebildet sein kann, mit der zweituntersten, etwa als Turbinensektion ausgebildeten Sektion oder aber im Bereich der Verbindungsstelle der untersten Sektion mit dem Bohrwerkzeug einfach abzuwinkeln. Hiezu ist im Gehäuse der Sektion eine besondere schrägeingesetzte Führung bzw. Lagerung erforderlich, so dass die Gehäuseund die Wellenachse dieser Sektion einen Winkel von wenigen Grad miteinander einschliessen.
Als zweckmässig kann es sich erweisen, an der untersten Sektion auf der der Ablenkrichtung entgegengesetzten Seite noch eine Führungsleiste od. dgl. vorzusehen, wodurch sich eine noch bessere Führung des Bohrwerkzeuges in der gewünschten Ablenkrichtung erzielen lässt.
Die einzelnen Sektionen des Bohrmotors sind, wie bekannt, als voneinander trennbare und einzeln ein-und ausbaubare Sektionen ausgebildet, so dass sie leicht auswechselbar sind und dadurch die Mög- lichkeit gegeben ist, den Bohrmotor immer leicht an die gegebenen Verhältnisse anzupassen, insbesondere dann, wenn sie auch noch als selbstandig einsatzfähig und unter sich austauschbare Sektionen ausgebildet sind. Die sichere Verbindung zwischen den einzelnen Sektionen erfolgt dabei zweckmässig mittels einfacher bekannter Verriegelung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen Fig. l ein Ausführungsbeispiel eines aus vier Sektionen zusammengesetzten, im Bereich der Verbindungsstelle zwischen zwei Sektionen abgewinkelten Drehbohrmotors, Fig. 2 in einem Ausschnitt aus Fig. l den Bereich der Abwinkelung in einem Ausführungsbeispiel in vergrössertem Massstab im Schnitt, Fig. 3 in einem Ausschnitt aus Fig. l den Bereich der Abwinkelung in einem weiteren Ausführungsbeispiel in vergrössertem Massstab im Schnitt, Fig. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines aus vier Sektionen zusammengesetzten, mittels eines zwischen zwei Sektionen angeordneten Zwischenstückes abgewinkelten Drehbohrmotors, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Zwischenstückes gemäss Fig. 4 in vergrössertem Massstab im Schnitt, Fig.
6 die schematische Darstellung eines andern Ausführungsbeispiels des Zwischenstückes gemäss Fig. 4, Fig. 7 die schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Zwischenstückes gemäss Fig. 4, Fig. 8 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines aus vier Sektionen zusammengesetz-
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raden Gehäuses.
Nach Fig. 1 schliesst der aus den vier Sektionen 2 - 5 zusammengesetzte Bohrmotor an das Bohrgestänge 1 an und weist an seinem unteren Ende das Bohrwerkzeug 6 auf. Das Bohrmotorgehäuse ist im Be-
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reich der Verbindung zwischen den Sektionen 2 und 3 einfach abgewinkelt. Es könnte aber auch im Be- reich der Verbindung zwischen zwei beliebigen andern Sektionen einfach oder im Bereich mehrerer Ver- bindungen zwischen je zwei Sektionen, also mehrfach, abgewinkelt werden.
Nach Fig. 2 sind das Gehäuse 7 der Sektion 2 und das Gehäuse 8 der Sektion 3 an ihren Enden, dem
Zapfen 9 bzw. der Muffe 10, mit leicht konischen Gewinden versehen und mittels dieser meinanderge- schraubt. Während beim Gehäuse 7 die Gewindeachse und die Gehäuseachse miteinander genau überein- stimmen, sind beim Gehäuse 8 die Gewindeachse und die Gehäuseachse um einen der gewünschten Ab- winkelung des Bohrmotorgehäuses entsprechenden kleinen Winkel gegeneinander geneigt, und es ist die
Stirnfläche des Gehäuses 8 in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene ausgebildet, wodurch nach dem I Zusammenschrauben der Gehäuse 7 und 8 diese leicht gegeneinander geneigt sind, das heisst,
das Bohr- motorgehäuse in der Berilhrungsebene 11 in dem gewünschten masse abgewinkelt ist. Die Abwinkelung der Bohrmotorwelle ist durch die Verbindung der in den Gehäusen 7 und 8 koaxial zu diesen gelagerten
Wellenstücke 12 und 13 mittels der auf ihnen befestigten Kupplungsstücke 14 und l. bewirkt, welche auch die infolge umlaufen der Bohrmotorwelle erforderliche Winkelbeweglichkeit der Wellenstücke 12 und 13 gegeneinander zulassen.
Durch entsprechendes Bemessen der Länge der Kupplungsstücke 14 und 15, die hier als einfache Zahnkupplungshälften ausgebildet sind, kann die KnicKstelle der Bohrmotorwelle an beliebiger Stelle innerhalb der axia en Frstreckung der konischen Gewinde oder auch ausserhalb derselben angeordnet werden. Beispielsweise kann dadurch die Knickstelle der Bohrmotorwelle in die Ebene der
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wellere AuslunrungsmoglichKelt ) ur die Anund die Abwinkelung des Bohrmotorgehäuses unmittelbar unterhalb der Verbindung zwischen den beiden Sektionen 2 und 3 vorgenommen. Das Gehäuse 8 und das Zapfenstück 8a sind mittels der Versatzungen 16 und 16a zusammengesteckt und miteinander verschweisst.
Dabei sind die Flächen der Versatzung 16 des Zapfenstiickes 8a in Ebenen senkrecht oder parallel zur Zapfenachse ausgebildet, wogegen die Flächen der Versatzung 16a des Gehäuses 8 gegenüber den Ebenen senkrecht und parallel zur Gehäuseachse um einen der gewünschten Abwinkelung entsprechenden Winkel geneigt sind, wodurch sich nach dem Zu- sammenfügen und Verschweissen des Gehäuses 8 mit dem Zapfenstick 8a die gewünschte Abwinkelung in der Ebene der Schweissnaht 17 ergibt. Es ist natürlich ohne weiteres möglich, die gegenüber den Ebenen senkrecht und parallel zur Achse geneigten Flachen anstatt am Gehäuse 8 am Zapfenstück 8a oder mit je der halben Neigung sowohl am Gehäuse 8 als auch am Zapfenstiick 8a auszubilden.
Unter Umständen kann es auch schon genügen, insbesondere wenn das Gehäuse 8 und das Zapfenstück 8a ohne Versatzung ausgebildet werden, nur die Stirnfläche des Gehäuses und/oder des Zapfenstückes mit der besagten Neigung auszubilden.
Die Abwinkelung der Bohrmotorwel1e erfolgt bei der Ausführung nach Fig. 3 in der gleichen Weise wie bei Fig. 2, wobei auch hier die Knickstelle durch entsprechendes Bemessen der Länge der Kupplungstücke 14 une ! 15. die wiederum als einfache Zahnkupplungsha1ften ausgebildet sind, in axialer Richtung an eine andere als die gezeigte Stelle verlegt werden kann, also beispielsweise auch aus der Ebene der Schweissnaht 17 heraus.
Der in Fig. 4 schematisch gezeigte, wiederum aus den vier Sektionen 2-5 zusammengesetzte Bohrmotor ist mittels eines Zwischenstückes 18 einfach abgewinkelt. Die Abwinkelung ist nur beispielsweise zwischen den beiden untersten Sektionen 4 und 5 und auch nur beispielsweise etwa in der Mitte des Zwi-
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geführt als die Sektionen 2 und 3 der gleichen Figur bzw. die Sektionen 2-5 bei Fig. l. Selbstverständ- lich könnten sie, sofern sich dies als zweckmässig oder erforderlich erweisen sollte, etwa im Hinblick auf ein optimales Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl, mit derselben Länge wie die übrigen Sektionen oder auch langer als diese ausgeführt werden.
Ein Ausfihrungsheispiel für die mögliche Ausbildung des Zwischenstückes entsprechend der Fig. 4 ist in Fig. 5 in grösserem Massstab und im Schnitt gezeigt. Danach ist das einteilig ausgebildete Gehäuse 19 des Zwischenstückes 18 in der Mitte abgewinkelt, was etwa durch zylindrisches Ausbohren und Aussenabdrehen eines zylindrischen Rohrkörpeis von seineii beiden Enden her in Richtung zweier unter dem gewünschen Ablenkwinkel sich in der Mitte des Rohrkörpers schneidender Achsen erreicht wird. Die Enden des Gehäuses zo sind als Muffe 20 bzw. Zapfen 21 mit je einem leicht konischen, achsparallel geschnittenen Gewinde ausgebildet und mittels dieser Gewinde mit den Gehäusen der anschliessenden Sektionen 4 bzw. 5 verschraubt.
Die Bohrmotorwelle besteht im Bereich des Zwischenstückes 18 aus den beiden Wellenstücken 22 und 22a, die in der Mitte des Zwischenstückes miteinander und im Bereich der Enden des
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Sektionenhälften ausgebildeten Kupplungsstücke 25 und 25a, durch die die Übertragung der Drehkräfte und der axialen Schubkräfte erfolgt, verbunden sind. Die Achsen der Wellenstücke 22 und 22a stimmen mit je einer der beiden sich schneidenden Gehäuseachse genau überein, so dass die Bohrmotorwelle in der Mitte des Zwischenstückes 18 geknickt ist, wobei die erforderliche Winkelbeweglichkeit zwischen den heiden Wel- lenstücken durch die sie verbindende Zahnkupplung 25, 2Ga gewährleistet ist.
Beiderseits der Knickstelle sind die Wellenstücke 22 und 22a zur Aufnahme von Drehschwingungen in radialen Lagergruppen ? 6 gelagert, deren gegenseitiger Abstand durch die Distanzstücke 27 festgelegt ist. Die mit einer Abweisklau-
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28a19 mit den Gehäusen der anschliessenden Sektionen 4 bzw. 5. Diese erfolgt nach dem Verschrauben des
Zwischenstückes 18 mit dem Gehäuse der Sektion 5 durch Anziehen des im Zapfenkopf des Zwischenstückes 18 angeordneten Spannringes 31, wodurch die mit einer Feinverzahnung od. dgl. ausgebildeten
Stirnseiten des Zapfens 32 der Sektion 5 und des Ringes 30 formschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei einer Losschraubbewegung der Gewindeverbindung zwischen dem Gehäuse 1\J des ZwischenstÜckes 18 und dem Gehäuse der Sektion 5 läuft die steile Schulter der Abweisklauenverzahnung 28a am Ring 30 gegen die steile Schulter der Abweisklauenverzahnung 28 des im Zwischenstiickgehäuse 1. 9 axial verschiebbar, aber gegen Verdrehen gesichert angeordneten Ringes 20, wodurch ein weiteres Losschrauben verhindert wird. Das Lösen der Gewindeverbindung kann demgemäss erst nach Zuriickschrauben des Spannringes 31 um einen derHöhe derAbweisklauen entsprechendenBetrag erfolgen.
Sinngemäss erfolgt die Verriegelung des Gehäuses 19 des Zwischenstückes 18 mit dem Gehäuse der Sektion 4, nämlich mittels der im Gehäuse der Sektion 4 angeordneten und ebenfalls mit einer Abweisklauenverzahnung 28, 28a ausgebildeten Ringe 29a und 30a und eines im Gehäuse der Sektion 4 angeordneten, nicht gezeigten Spannringes.
Das in Fig. 6 dargestellte Zwischenstück unterscheidet sich \ on dem Zwischenstück gemäss Fig. 5 im wesentlichen dadurch, dass die Zwischenwelle 33 einteilig ausgebildet ist. Die erforderliche Winkelbeweglichkeit der Zwischenwelle 33 gegenüber den Wellenstücke der anschliessenden Sektionen ist hier durch die etwa in der gleichen Weise wie in Fig. 5 ausgebildeten Kupplungen 25, 25a gewährleistet. Während bei dieser Ausführung das Gehäuse des Bohrmotors wiederum einfach abgewinkelt ist, ist die Welle des Bohrmotors zweifach abgewinkelt.
Bei dem Ausführungsbeispie] des Zwischenstückes gemäss Fig. 7 ist das Gehäuse 34 des Zwischenstückkes zweifach abgewinkelt. Die Zwischenwelle 35 ist wiederum einteilig ausgeführt und entsprechend dem Abstand zwischen den beiden Gehäuseknickstellen bemessen. Die Wellenstücke der anschliessenden Sektionen sind über die Gehäuse der Sektionen hinaus verlängert ausgeführt und an den Knickstellen des Zwi- schenstückgehäuses 34 mit der Zwischenwelle 35 etwa in der gleichen Weise wie bei Fig. 6, also mittels der Kupplungen 25, 25a. verbunden. Bohrmotorgehäuse und Bohrmotorwelle sind bei dieser Ausführung also je zweifach abgewinkelt.
Nach Fig. 8 ist zwischen den Sektionen 3 und 4 des Bohrmotors ein als einfaches gerades Rohrstück : ; 6 ausgebildetes Zwischenstück angeordnet, dessen eine Stirnfläche schräg abgeschnitten ist, wodurch die gewünschte Abwinkelung des Bohrmotorgehäuses erzielt ist. Die Abwinkelung der Bohrmotorwelle kann mittels einer Zwischenwelle erfolgen, die in der bereits beschriebenen Weise wieder mit den Wellenstücken der anschliessenden Sektionen verbunden wird. Es kann aber auch beispielsweise das Wellenstück der einen der beiden anschliessenden Sektionen verlängert sein, so dass es bis zur Verbindungsstelle des Rohrstückes 36 mit dem Gehäuse der andern Sektion reicht, und dann dort direkt mit dem Wellenstück der andern Sektion gekuppelt sein. Eine gesonderte Zwischenwelle ist in diesem Fall also nicht erforderlich.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. U ist nur die Welle des Bohrmotors abgewinkelt, u. zw. an der Verbindungsstelle der untersten Sektion 5a mit der Sektion 4. Die Achse des Gehäuses und des Wellentei- les der Sektion 5a schliessen miteinander einen kleinen Winkel (entsprechend der gewünschten Ablenkung des Bohrwerkzeuges) ein, was eine entsprechende Lagerung bzw. Führung des Wellenteiles im Gehäuseteil erforderlich macht. Die Verbindung der Gehäuse- und auch der Wellenteile der Sektionen 4 und 5a miteinander kann wiederum 11l der gleichen Weise wie bei den übrigen Ausitihrungsbeispielen oder auch auf andere Art vorgenommen werden. Zur besseren Führung des Bohrwerkzeuges 6 ist an der Sektion 5a
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