CH675747A5 - Remote-controlled attachment of drill-string pipes to drive coupling - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. 



  Tiefere Bohrlöcher müssen mit Bohrrohren ausgekleidet werden, um ein Nachrutschen von Erd-reich zu verhindern. Mit fortschreitender Tiefe der Bohrung muss die Verrohrung auch entsprechend in die Tiefe fortgeführt werden. Hierzu werden an einzelne Bohrrohre sukzessive weitere Bohrrohre angesetzt, und der so erhaltene Bohrrohrstrang wird insgesamt tiefer in das Erdreich hineingedrückt. Um diese Bewegung zu erleichtern, wird der gesamte Bohrrohrstrang in Drehung versetzt. 



  Die einzelnen Bohrrohre haben eine Höhe von typischerweise etwa 6 m. Wird ein neues Bohrrohr auf das Ende des Bohrrohrstranges aufgesetzt, so musste bisher ein Arbeiter das obere Ende des neu angesetzten Bohrrohres mechanisch mit dem Antriebsteil verbinden, welches auf den Bohrrohrstrang arbeitet. Diese Verbindung erfolgte bisher unter Verwendung von Gewindebolzen genauso wie die Verbindung der Bohrrohre im Strang untereinander. 



  Da die Verbindungsstelle zwischen Antriebsteil und neu angesetztem Bohrrohr etwa 6 m über dem Erdboden liegt, muss jeweils ein Arbeiter an einer Leiter nach oben zur Verbindungsstelle steigen und die Schraubbolzen eindrehen. Da die Bohrrohre typischerweise einen Durchmesser von 600 bis 1200 mm haben, muss die Leiter zum Eindrehen der verschiedenen Schraubbolzen mehrmals angestellt werden. Das Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen neu angesetztem Bohrrohr und Antriebsteil ist somit zeitraubend und gefährlich. Wird eine Bohrung beendet, so wird der Bohrrohrstrang unter Drehen und Ziehen des Antriebsteiles wieder aus dem Bohrloch herausgezogen, und sowie ein Bohr rohr völlig über dem Erdreich liegt, wird es vom darunter liegenden Strangteil wieder abgetrennt.

  Hernach muss dann die Verbindung zwischen dem Bohrrohrende und dem Antriebsteil wieder in grosser Höhe gelöst werden, analog wie oben für das Herstellen der Verbindung zwischen Bohrrohrende und Antriebsteil beschrieben. Auch diese Arbeit ist somit zeitraubend und gefährlich. 



  Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Einrichtung zum Indrehungversetzen und axialen Bewegen von Bohrrohrsträngen geschaffen werden, bei welcher die Herstellung und Aufhebung der mechanischen Verbindung zwischen oberem Bohrrohrende und Antriebsteil automatisch erfolgen kann. 



  Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss gelöst durch eine Einrichtung gemäss Anspruch 1. 



  Bei der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung ist eine ferngesteuert betätigbare spezielle Riegelkupplung zwischen dem Antriebsteil und dem oberen Bohrrohrende vorgesehen. Diese Riegelkupplung umfasst Kupplungsstifte, die durch eine Servoantriebseinrichtung gemeinsam in fluchtende Löcher am unteren Ende des Antriebsteiles bzw. am oberen Bohrrohrende im wesentlichen spielfrei eingeführt werden können. Da diese Stifte somit die im Betrieb auftretenden Kräfte in Umfangsrichtung und axialer Richtung vollständig aufnehmen, wird auf die Servoantriebseinrichtung im Betrieb keine grosse Kraft ausgeübt. 



  Durch die Erfindung lässt sich die Zeit, die zum Aufbauen oder Auseinanderbrechen eines Bohrrohrstranges erforderlich ist, erheblich verkürzen. Insbesondere auch dann, wenn ein Bohrloch schräg geneigt abgeteuft wird und die Bohrlochverrohrung entsprechend schräg geneigt eingebracht werden muss, entfällt das Problem des schwierigen Zuganges zu einigen der Verbindungsstellen zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende. 



  Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. 



  Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 2 ist im Hinblick auf besonders exaktes Führen der Kupplungsstifte, auf die sichere Aufnahme etwa doch noch auf die Kupplungsstifte ausgeübter Restkräfte und auch im Hinblick auf ein einfaches Austauschen der Kupplungsstifte von Vorteil. 



  Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 3 wird erreicht, dass die Kupplungsstifte auch bezüglich ihrer eigenen Längsachse verdrehsicher geführt sind. 



  Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 4 ist im Hinblick auf eine einfache Herstellung der feststehenden Führungswände und im Hinblick auf einen einfachen Zugang zu den Kupplungsstiften zur Wartung und zum Ersatz von Vorteil. 



  Eine Führungseinrichtung, wie sie im Anspruch 5 angegeben ist, hat mechanisch sehr einfachen Aufbau und lässt sich auch verhältnismässig einfach an schon vorhandenen Antriebsteilen nachrüsten. 



  Dabei wird mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 6 erreicht, dass der Kupplungsstift nur geringfügig bogenförmig abgenommen werden muss, um sein Hinein- und Herausbewegen aus der Kupplungsöffnung des Rohrendes zu ermöglichen. Ein möglichst spielfreier Sitz des Kupplungsstiftes in den fluchtenden Kupplungsöffnungen von Antriebsteil und Bohrrohrende ist aber im Hinblick auf eine möglichst gute Kraftübertragung vom Antriebsteil zum Bohrrohrstrang unter Betriebsbedingungen von Vorteil. 



  Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 7 wird  erreicht, dass die beim Drehen des Bohrrohrstranges auf die Kupplungsstifte allenfalls noch ausgeübten Restkräfte nicht zu einem Verschwenken der Führungshebel um deren Schwenk-achse führen können. 



  Bei einer Einrichtung gemäss Anspruch 9 sind Betätigungsteile, die den einzelnen Kupplungsstiften zugeordnet sind, mechanisch zusammengeschaltet. Es reicht also aus, wenn die Servoantriebseinrichtung eine einzige Stellbewegung bereitstellt, durch welche dann sämtliche Kupplungsstifte eingefahren oder zurückgezogen werden. 



  Bei einer Einrichtung gemäss Anspruch 10 ist die Stellbewegung für den Betätigungsring eine Drehbewegung um die Achse des Antriebsteiles. Eine derartige Bewegung lässt sich leicht von einem hydraulischen oder elektrischen Motor bereitstellen oder auch durch Drehen des Antriebsteiles und Festbremsen des Betätigungsringes von dem sowieso für das Antriebsteil vorgesehenen Motor ableiten (vergl. Anspruch 19). 



  Bei der Alternativlösung gemäss Anspruch 11 ist die Stellbewegung des Betätigungsringes eine axiale Bewegung, und diese kann durch hydraulische Arbeitszylinder bereitgestellt werden oder dadurch erzeugt werden, dass man das Antriebsteil durch den sowieso zum axialen Verfahren des Bohrrohrstranges vorgesehenen Arbeitszylinder in axialer Richtung bewegt, den Betätigungsring dagegen durch eine Anschlageinrichtung axial festlegt (vergl. Anspruch 19). 



   Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 12 wird bei axial beweglichem Betätigungsring gewährleistet, dass dieser Ring schon durch sein Gewicht in diejenige Stellung vorgespannt ist, in welcher die Kupplungsstifte voll in die Kupplungsöffnungen des Bohrrohrendes eingefahren sind. 



  Werden für die Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil und oberem Bohrrohrende solche Kupplungsstifte verwendet, die eine glatte Aussenfläche haben, wobei dann die Kupplungsöffnungen entsprechend glattwandig sind, so müssen in den Bohrrohrenden diese glattwandigen Kupplungsöffnungen zusätzlich zu den für das normale Verbinden von Bohrrohren vorgesehenen Gewindebohrungen angebracht werden. Dies bedeutet eine Nachbearbeitung schon im Einsatz befindlicher Bohrrohre, die sich nicht ohne weiteres auf Baustellen oder auf Lagerplätzen für derartige Bohrrohre durchführen lassen. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 13 wird erreicht, dass für die automatische Verbindungsherstellung zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende die sowieso schon in den Bohrrohrenden vorgesehenen Gewindebohrungen verwendet werden. 



  Dabei sind gemäss Anspruch 14 wieder die verschiedenen Kupplungsstifte mechanisch gekoppelt, und durch Drehen eines einzigen Betätigungsringes werden sämtliche Kupplungsstifte gleichzeitig in die zugeordneten Gewindebohrungen des oberen Bohrrohrendes eingefahren oder aus diesen herausgeschraubt. Die entsprechende Drehbewegung kann wieder von einem umlaufenden Motor bereitgestellt werden. Stattdessen kann man auch die Drehbewegung des das Antriebsteil in Drehung versetzenden Motors ausnützen, wobei dann der Betätigungsring durch eine steuerbare Anschlageinrichtung festgebremst wird (vergl. Anspruch 19). 



  Bei der Einrichtung gemäss Anspruch 15 kann über die Rutschkupplungen ein Unterschied in der Phasenlage der verschiedenen Gewindebohrungen am oberen Bohrrohrende aufgenommen werden. Der den Zahnkranz tragende Betätigungsring kann solange gedreht werden, dass mit Sicherheit alle Kupplungsstifte in die zugeordneten Gewindebohrungen voll eingedreht sind, ohne dass die Gefahr eines Abscherens oder Ausreissens an den Gewinden besteht. 



  Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 16 ist es möglich, die Kupplungsstifte soweit zurückzufahren, dass ihre Stirnflächen vollständig von den Gewindebohrungen der Bohrrohrenden entfernt sind. Umgekehrt werden die Kupplungsstifte beim Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende automatisch an die Gewindebohrungen im Bohrrohrende herangefahren und gegen diese Gewindebohrungen gedrückt, so dass die Kupplungsstifte dann selbsttätig in die Gewindebohrungen des Bohrrohrendes hineinlaufen. 



  Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäss den Ansprüchen 17 und 18 wird erreicht, dass Unterschiede in der Phasenlage (Umfangspositionierung) des Zustellgewindes und der Gewindebohrung im Bohrrohrende ausgeglichen werden können. 



  Auch eine Führungseinrichtung, wie sie im Anspruch 20 angegeben ist, zeichnet sich durch einen mechanisch besonders einfachen Aufbau aus. Eine derartige Führungseinrichtung, die durch die Servoantriebseinrichtung selbst vorgegeben ist, lässt sich auch besonders einfach an schon im Einsatz befindlichen Antriebsteilen nachrüsten. 



  Werden beim herkömmlichen Verbinden von Antriebsteil und Bohrrohrende Gewindebolzen durch das Antriebsteil in die Gewindebohrungen des Bohrrohres eingedreht, so hat der diese Arbeit durchführende Arbeiter eine visuelle Kontrolle für die Korrektheit der hergestellten Verbindung: der Kopf des jeweils verwendeten Schraubbolzens muss bündig in der Aussenseite des Antriebsteiles einsitzen. Eine entsprechende Kontrolle wird gemäss Anspruch 21 automatisch bei der erfindungsgemässen Stellungseinrichtung durchgeführt. 



  Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. 



  In dieser zeigen: 
 
   Figur 1: eine schematische seitliche Ansicht einer Einrichtung zum Verrohren eines Bohrloches, teilweise axial geschnitten; 
   Figur 2: einen transversalen Schnitt durch eine Servo-Kupplungseinrichtung der Verrohrungsmaschine nach Figur 1 längs der dortigen Schnittlinie II-II, wobei ein Nocken-Betätigungsring dieser Kupplung abgenommen ist; 
   Figur 3: eine Aufsicht auf die Oberseite des Nocken-Betätigungsringes der Kupplungseinrichtung der Verrohrungsmaschine; 
   Figur 4: einen axialen Teilschnitt durch die Kupplungseinrichtung längs der Schnittlinie IV-IV von Figur 2; und 
   Figuren 5 bis 7: zu Figur 4 ähnliche Schnitte durch abgewandelte Kupplungseinrichtungen. 
 



  Die in Figur 1 schematisch und nur in Teilen wiedergegebene Verrohrungseinrichtung ist Teil eines im übrigen nicht näher gezeigten Bohrgerätes. Zu diesem Bohrgerät gehört ein langer vertikaler Bohrmast 10, der über Lenker 12, 14 von einem Bagger (nicht gezeigt) oder einem anderen Fahrzeug getragen ist. 



  Auf dem Bohrmast ist ein Bohrkopf (nicht gezeigt) verfahrbar, und durch einen vom letzteren angetriebenen Bohrer wird im Erdreich 16 ein Bohrloch 18 erzeugt. Um ein Einfallen der Bohrlochwände zu verhindern, wird in das Bohrloch ein Strang von Bohrrohren 20 hineingedrückt. Die Bohrrohre haben jeweils eine Länge von 6 m, und wenn das Bohrloch 18 um eine entsprechende Strecke vorgetrieben  worden ist, wird an den Bohrrohrstrang 20 ein neues Bohrrohr 22 angesetzt. 



  Wie aus Figur 1 ersichtlich, haben die Bohrrohre 22 jeweils am oberen Ende eine aussenliegende Schulter, so dass man einen Rohrendabschnitt 24 verminderten Durchmessers erhält. Entsprechend ist das untere Ende eines Bohrrohres jeweils mit einer Gegenbohrung 26 versehen, in welcher ein Rohrendabschnitt 24 Aufnahme findet. 



  Am Rohrendabschnitt 24 sind an zwei gegenüberliegenden Stellen zwei stirnseitige Ausnehmungen 28 vorgesehen, in welche stirnseitige Klauen 30 des Bodens der Gegenbohrung 26 eingeführt werden können. Auf diese Weise lassen sich zwei Bohrrohre 22 nur in fester winkelmässiger Ausrichtung zusammenstecken. 



  In dieser Winkelausrichtung fluchten dann regelmässig in Umfangsrichtung verteilte Kupplungs-Gewindebohrungen 32 im Rohrendabschnitt 24 mit glatten Kupplungsöffnungen 34 im unteren Ende des darüberliegenden Bohrrohres 22. In die Gewindebohrungen 32 können so dann Senkkopf-Schraubbolzen 36 eingedreht werden, um die beiden Bohrrohre zur gemeinsamen axialen Bewegung und Drehbewegung fest miteinander zu verbinden. Die Schraubbolzen 36 sind so gestaltet und dimensioniert, dass die Stirnfläche ihres Gewindeabschnittes bei eingedrehtem Schraubbolzen in der Innenfläche des zugeordneten Bohrrohres 22 liegen, während die Stirnfläche ihres Senkkopfes bündig in der Aussenfläche des unteren Bohrrohrendes liegen. 



   Wie aus Figur 1 ersichtlich, haben die Rohrendabschnitte 24 einen Satz von Kupplungsöffnungen 38, die zum bleibenden Verbinden aufeinanderfolgender Bohrrohre unter Verwendung der Schraubbolzen 36 nicht benötigt werden. Diese Kupplungsöffnungen dienen zur Herstellung einer mechanischen Verbindung des oberen Endes des jeweils obersten Bohrrohres  22 mit einem Antriebsteil 40, durch welches der gesamte Bohrrohrstrang in Drehung versetzt und in axialer Richtung verfahren wird. 



  Das Antriebsteil 40 ist seinerseits in einem Schlitten 42 drehbar gelagert, der in Längsrichtung verschiebbar auf dem Bohrmasten 10 geführt ist. Auf dem Schlitten 42 ist ein hydraulischer Motor 44 angeordnet, der das Antriebsteil 40 in beiden Drehrichtungen antreiben kann, und am Schlitten 42 greift die Kolbenstange 46 eines im übrigen nicht näher gezeigten hydraulischen Arbeitszylinders an, der direkt oder indirekt am Bohrmast 10 abgestützt ist und dazu dient, den Bohrrohrstrang ins Erdreich hineinzudrücken oder aus dem Erdreich herauszuziehen. 



  Wie aus den Figuren 1 bis 4 ersichtlich, hat das untere Ende des Antriebsteiles 40 eine Gegenbohrung 48, die gleiche Form aufweist wie die Gegenbohrung am unteren Ende der Bohrrohre 22. In diesem unteren Ende des zylindrischen Antriebsteiles 40 sind Kupplungsöffnungen 50 unter gleichem Winkelabstand derart angebracht, dass sie in eine mit den Kupplungsöffnungen 38 des Rohrendabschnittes 24 fluchtende Lage kommen können. 



  Vom Boden der Gegenbohrung 48 stehen Klauen 52 über, die in Form und Lage den Klauen 30 der unteren Bohrrohrenden entsprechen. Damit kann auch das Antriebsteil 40 mit einem Bohrrohr 22 nur in fester winkelmässiger Ausrichtung verbunden werden, und auf diese Weise ist die Ausfluchtung der Kupplungsöffnungen 38 und 50 aufeinander erleichtert. 



  An das untere Ende des zylindrischen Antriebsteiles 40 ist ein becherförmiges, nach oben offenes Kupplungsgehäuse 54 angeschweisst. 



  Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist der Boden des Kupplungsgehäuses 54 vier in Umfangsrichtung gleich verteilte,  nach oben offene Führungsnuten 56 mit quadratischem Querschnitt auf. In den Führungsnuten 56 ist jeweils ein entsprechend quadratischen Querschnitt aufweisender Führungskopf 58 im Gleitspiel eingesetzt. Dieser trägt auf seiner radial innenliegenden Stirnfläche jeweils einen Kupplungsstift 60, der im Gleitspiel in den Kupplungsöffnungen 38 und 50 laufen kann. 



  In Figur 2 ist der radiale Verstellweg des Führungskopfes 58 in einer Führungsnut 56 mit x bezeichnet. Diese Strecke ist etwas grösser als die Wandstärke des Rohrendabschnittes 24, jedoch kleiner als die Summe der Wandstärken des Rohr-endabschnittes 24 und des unteren Bohrrohrendes. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Kupplungsstift 60 nie aus der Kupplungsöffnung 50 herausgefahren wird. 



  Die Führungsköpfe 58 tragen in der Mitte ihrer obenliegenden Begrenzungsfläche jeweils einen Betätigungsstift 62. Dieser Betätigungsstift greift jeweils in eine Nockennut 64 im Gleitspiel ein. Die Nockennuten 64 sind in der Unterseite eines Betätigungsringes 66 ausgebildet, wie aus Figur 3 ersichtlich. Jede Nockennut 64 hat einen radial innenliegenden, zur Ringachse koaxialen Nutabschnitt 68, einen schräg geneigt nach aussen verlaufenden mittleren Nutabschnitt 70 sowie einen radial aussenliegenden, wieder kreisbogenförmigen, zur Ringachse koaxialen Nutabschnitt 72. 



  Durch die Querschnittsanpassung der Führungsnuten 56 und der Führungsköpfe 58 ist gewährleistet, dass die Führungsköpfe 58 auch bezüglich der Unterseite des Betätigungsringes 66 im Gleitspiel laufen. 



  Wie aus den Figuren 1 und 4 ersichtlich, hat der Betätigungsring 66 eine obenliegende Ringschulter 74, welche von einem Haltering 76 im Gleitspiel übergriffen wird. Der Haltering 76 ist seinerseits mittels Schrauben 78 mit der Umfangswand des becherförmigen Kupplungsgehäuses  54 verbunden. 



  Ein hülsenförmiger Endabschnitt 80 des Betätigungsringes 66, der durch den Haltering 76 hindurchgeführt ist, trägt einen radialen Anschlagstab 82. Dieser kann mit einem vom Schlitten 42 getragenen in Drehrichtung feststehenden Anschlag 84 zusammenarbeiten, der in axialer Richtung in die Bahn des Anschlagstabes 82 bewegbar ist. Hierzu kann z.B. der Anschlag 84 einfach durch die Kolbenstange eines Arbeitszylinders 86 gebildet sein, der auf dem Schlitten 42 angebracht ist. 



  Bei der oben beschriebenen Verrohrungsmaschine wird ein neues Bohrrohr 22 wie folgt an den schon in das Erdreich eingebrachten Bohrrohrstrang angesetzt. 



  Das neu anzusetzende Bohrrohr wird durch ein externes Hebezeug in vertikaler Ausrichtung neben dem Bohrloch abgesetzt. Durch Verfahren des Bohrmastes 10 wird das Antriebsteil 40 über das obere Rohrende gestellt, und der Schlitten 42 wird über den obenliegenden Rohrendabschnitt 24 gefahren. Der Schlitten 42 wird dann langsam abgesenkt, wobei das Antriebsteil 40 durch den Motor 44 langsam in Drehung versetzt wird, so dass die Klauen 52 des Antriebsteiles 40 mit den Ausnehmungen 28 des Rohrendabschnittes 24 in Eingriff kommen. Bei Erreichen dieser vorgegebenen Winkelstellung fällt dann das Antriebsteil 40 vollends auf das obere Rohrende. Wie oben schon dargelegt, liegt das obere Rohrende zu diesem Zeitpunkt etwa 6 m über dem Erdboden. 



  Nunmehr wird der Anschlag 84 vom Arbeitszylinder 86 ausgefahren, und wenn anschliessend das Antriebsteil 40 in Aufsicht gesehen im Uhrzeigersinne in Drehung versetzt wird, kommt der Anschlagstab 82 spätestens nach einer Umdrehung des Antriebsteiles 40 in Anlage an den Anschlag 84, und ab diesem Zeitpunkt wird der Betätigungsring 66 im Kupp lungsgehäuse 54 so gedreht, dass die Betätigungsstifte 62 der Führungsköpfe 58 von den aussenliegenden Nutabschnitten 72 über die schräg geneigten mittleren Nutabschnitte 70 in die Nutabschnitte 68 bewegt werden. Damit werden die von den Führungsköpfen 58 getragenen Kupplungsstifte 60 in die Kupplungsöffnungen 38 des Rohrendabschnittes 24 eingefahren. Damit ist das Bohrrohr 22 fest mit dem Antriebsteil 40 verbunden.

  Der Anschlag 84 wird nun wieder eingefahren, damit der Betätigungsring 66 beim Drehen des Antriebsteiles 40 mit diesem unbehindert umlaufen kann und die Kupplungsstifte 66 verriegelt bleiben. Der Schlitten 42 wird nun wieder angehoben, und der Bohrmast wird so verfahren, dass das Antriebsteil 40 und das mit diesem verbundene neu anzusetzende Bohrrohr 22 auf die Bohrlochachse zu stehen kommen. 



   Nunmehr wird der Schlitten 42 wieder abgesenkt, bis das untere Ende des anzusetzenden Bohrrohres 22 über den Rohrendabschnitt 24 des gerade noch aus dem Erdreich herausragenden Bohrrohres 22 zu liegen kommt. Beim letzten Teil der Absenkbewegung wird das Antriebsteil 40 wieder in Drehung versetzt, damit die Klauen 30 des oberen Bohrrohres in die Ausnehmungen 28 des unteren Bohrrohres fallen können. In dieser Ausrichtung fluchten nun die Kupplungsöffnungen 34 mit den Kupplungs-Gewindebohrungen 32, so dass die Schraubbolzen 36 eingedreht werden können. Nun wird der Motor 44 in Gang gesetzt und gleichzeitig der Arbeitszylinder, zu welchem die Kolbenstange 46 gehört, in Gang gesetzt, so dass das neu angesetzte Bohrrohr unter Drehen und Ausübung axialen Druckes in das Erdreich nachgeschoben wird. 



  Die vorgenannten Arbeiten werden wie gesagt bei zurückgezogenem Anschlag 84 durchgeführt, so dass sich der Betätigungsring 66 zusammen mit dem Kupplungsgehäuse 54 frei drehen kann. Die Kupplungsstifte 60 bleiben somit in die Kupplungsöffnungen 38 eingefahren. Da die beim Ausüben axialen Druckes und beim Ausüben von Drehmoment auf den  Bohrrohrstrang ausgeübten Kräfte vollständig von den Kupplungsstiften 60 aufgenommen werden, entstehen auch keine auf den Betätigungsring 66 zurückwirkenden Kräfte, welche zu einer unbeabsichtigten Verstellung dieses Ringes führen könnten. Dies ist auch dann gewährleistet, wenn aufgrund von Abnutzung der Kupplungsstifte oder unter ungünstigen Bedingungen doch radiale Restkräfte an den Kraftübertragungsstellen zwischen Kupplungsstiften und Kupplungsöffnungen erzeugt werden sollten.

  Diese radialen Restkräfte werden nämlich durch den zur Achse des Antriebsteiles 40 koaxialen Nutabschnitt 68 sicher aufgenommen, ohne dass es zur Ausübung eines Drehmomentes auf den Betätigungsring 66 käme. 



  Zum Ansetzen eines weiteren Bohrrohres wird der Anschlag 84 wieder ausgefahren, und der Motor 44 wird entgegen dem Uhrzeigersinne erregt, so dass der Anschlagstab 82 nunmehr von der anderen Seite gegen den Anschlag 84 läuft. Der Betätigungsring 66 wird dann so gedreht, dass die Kupplungsstifte 60 aus den Kupplungsöffnungen 38 herausgezogen werden. Der Schlitten 42 kann nun vom Ende des Bohrrohrstranges hochgefahren werden, und ein weiteres Bohrrohr kann analog wie oben beschrieben an den Bohrrohrstrang angesetzt werden. 



  Wird nach Fertigstellung der Bohrung der Bohrrohrstrang wieder aus dem Bohrloch herausgezogen, so lassen sich die einzelnen Bohrrohre nacheinander abbauen, wobei der oben im einzelnen beschriebene Ansetzzyklus in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt wird. Dieses Zerlegen des Bohrrohrstranges unter Verwendung der oben im einzelnen beschriebenen Kupplungseinrichtung braucht somit nicht noch einmal im Detail beschrieben zu werden. Wichtig ist, dass auch beim Zerlegen des Bohrrohrstranges keine mechanischen Verbindungen zwischen dem oberen Ende eines Bohrrohres und dem Antriebsteil in grosser Höhe über dem Erdboden durchgeführt werden müssen  Die Figuren 5 bis 7 zeigen abgewandelte Einrichtungen zur Führung und Verstellung der Kupplungsmittel in der Kupplungseinrichtung zwischen Antriebsteil und Bohrrohr.

  Einrichtungsteile, die obenstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 schon in gleicher oder funktional äquivalenter Form beschrieben wurden, sind wieder mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen und werden nachstehend nicht noch einmal detailliert beschrieben. 



  Bei der Führungs- und Betätigungseinrichtung für die Kupplungsstifte 60 gemäss Figur 5 sind die Kupplungsstifte am freien Ende eines Winkelhebels 88 angebracht. Der Winkelhebel 88 hat einen getriebenen Hebelarm 90, der verglichen mit der Wandstärke der Bohrrohre 22 grosse Länge aufweist und einen zugeordneten Kupplungsstift 60 im wesentlichen senkrecht auf der Hebelarmachse stehend trägt. Der Winkelhebel 88 ist mittels eines tangential zum Antriebsteil 40 verlaufenden Stiftes 92 auf Lageraugen 94 schwenkbar angebracht. Die Lageraugen 94 sind auf der Aussenseite des Antriebsteiles 40 festgeschweisst. 



  Der Winkelhebel 88 hat ferner einen Betätigungsarm 96, der im wesentlichen senkrecht auf dem getriebenen Hebelarm 90 steht. Der Betätigungsarm 96 hat ein abgerundetes Ende und greift unter Spiel in eine Betätigungsnut 98, die in einer horizontalen Ebene von innen in den nun nach unten offenen becherförmig ausgebildeten Betätigungsring 66 eingestochen ist. Der so abgewandelte Betätigungsring 66 ist seinerseits im Gleitsitz auf der Aussenseite des Antriebsteiles 40 geführt und hat einen dicken Boden. Auf diese Weise erhält der Betätigungsring 66 hohes Gewicht und spannt die Kupplungsstifte 60 in die eingerückte Stellung vor. 



  Der Betätigungsring 66 arbeitet nun mit einem Anschlag 84 zusammen, der in und aus der vertikalen Bahn des Betätigungsringes 66 bewegbar ist. Damit kann die Bewegung  zum Verstellen des Betätigungsringes 66 von der vertikalen Verstellbewegung des Schlittens 42 abgeleitet werden: Trifft der Betätigungsring 66 beim Absenken des Antriebsteiles 40 auf den Anschlag 84, so wird er zurückgehalten, und beim weiteren Absenken des Antriebsteiles 40 werden die Winkelhebel 88 im Sinne eines Ausrückens der Kupplungsstifte 60 bewegt. Zieht man bei so angehobenem Betätigungsring 66 den Anschlag 84 zurück, drückt der Betätigungsring 66 durch sein Gewicht die Kupplungsstifte 60 wieder in die eingerückte Stellung. 



  Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 sind die Kupplungsstifte 60 jeweils durch die Kolbenstange eines hydraulischen Arbeitszylinders 100 gebildet, der unter Zwischenschaltung eines Befestigungsteiles 102 auf die Aussenseite des Antriebsteiles 40 fest aufgebracht ist. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung des doppeltwirkenden Arbeitszylinders 100 kann der zugeordnete Kupplungsstift 60 aus der zugeordneten Kupplungsöffnung 38 herausgefahren oder in diese eingefahren werden. 



  Wie aus Figur 6 ersichtlich, sind die Arbeitsleitungen für die verschiedenen Arbeitszylinder 100 zusammengeschaltet, so dass alle Arbeitszylinder gleichzeitig und in der gleichen Richtung betätigt werden. 



  Den verschiedenen Arbeitszylindern ist jeweils ein Stellungsgeber 104 zugeordnet, der dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Kupplungsstift 60 seine voll eingerückte Stellung erreicht hat. Die Ausgangssignale der verschiedenen Stellungsgeber 104 werden durch ein UND-Glied 106 zusammengefasst, dessen Ausgang somit nur dann ein Signal bereitstellt, wenn sämtliche der mechanisch nicht gekoppelten Arbeitszylinder 100 die eingerückte Stellung der Kupplungsstifte 60 herbeigeführt haben. 



   Man erkennt, dass die Führungs- und Betätigungseinrichtung  für die verschiedenen Kupplungsstifte 60, die in Figur 6 gezeigt ist, besonders leicht an schon im Einsatz befindlichen Antriebsteilen 40 nachgerüstet werden kann. 



  Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war es notwendig, in Umfangsrichtung verschachtelt zwischen den Kupplungs-Gewindebohrungen 32 die glatten Kupplungsöffnungen 38 vorzusehen. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 werden zum Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil 40 und oberem Rohr-ende die im Rohrendabschnitt 24 sowieso schon vorgesehenen Kupplungs-Gewindebohrungen 32 verwendet. 



  Die Kupplungsstifte 60 haben einen mit Gewinde versehenen Endabschnitt 108, der direkt mit der Kupplungs-Gewindebohrung 38 zusammenarbeiten kann. An den mit Gewinde versehenen Endabschnitt 108 schliesst sich ein glatter Zwischenabschnitt 110 an, der im Gleitspiel in der zugeordneten Kupplungsöffnung 50 des Antriebsteiles 50 läuft. Auf den Zwischenabschnitt 110 folgt ein kegelförmiger Kopfabschnitt 112, dessen Form der Form des Senkkopfes der Schraubbolzen 36 entspricht. Die Abschnitte 108 bis 112 entsprechen somit insgesamt einem Schraubbolzen 36. Der Kopfabschnitt 112 ist an einen Spindelabschnitt 114 angeformt, der ein Gewinde trägt, welches in Drehsinn und Steigung dem Gewinde auf dem Endabschnitt 108 entspricht. Der Spindelabschnitt 114 läuft in einer Gewindehülse 116, die in axialem Gleitspiel in einer Kammer 118 des ringförmig ausgebildeten Kupplungsgehäuses 54 Aufnahme findet.

  Zur Sicherung der Gewindehülse 116 gegen Drehungen innerhalb der Kammer 118 ist die Gewindehülse 116 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Nut 120 versehen, in welche ein in der Kammerwand einsitzender Positionierstift 122 im Gleitspiel eingreift. 



  Wie aus Figur 7 ersichtlich, hat die Gewindehülse 116 geringere axiale Abmessung als die effektive Länge der  Kammer 118 und ist an ihren beiden Stirnseiten über gewellte Federn 124, 126 an den Kammerstirnwänden abgestützt. 



  Um die Gewindehülse 116 in die Kammer 118 einführen zu können und die Vorspannung der gewellten Scheibenfedern 124, 126 einstellen zu können, ist die Kammer 118 durch einen ringförmigen Deckel 128 verschlossen, der aussen mit einem Gewinde versehen ist und in den mit Gewinde versehenen äussersten Abschnitt der Kammer 118 hineinschraubbar ist. 



  Wie aus Figur 7 ersichtlich, ist die Länge des Spindelabschnittes 114 mindestens um die Wandstärke des Rohrendabschnittes 24 grösser als die axiale Abmessung der Gewindehülse 116, so dass der zugleich den Kupplungsabschnitt darstellende Endabschnitt 108 vollständig aus der Kupplungs-Gewindebohrung 32 herausgedreht werden kann. Zum Indrehungversetzen des Spindelabschnittes 114 dient ein Zahngetriebe. Zu diesem gehört ein Ritzel 130, welches über eine Rutschkupplung auf den Spindelabschnitt 114 arbeitet. Hierzu ist das Ritzel 130 drehbar auf einen aussenliegenden Spindelendabschnitt 132 aufgesetzt und durch einen Sprengring 134 axial festgelegt, der von einem Zapfen 136 gehalten ist, der seinerseits vom Boden einer Federkammer 138 nach aussen übersteht.

  Die Federkammer 138 ist ringförmig in die freie Stirnfläche des Spindelabschnittes 114 eingestochen und nimmt unter Vorspannung einen Scheibenfederstapel 140 auf. 



  Das Ritzel 130 kämmt mit einem Zahnkranz 142, der in der obenliegenden Stirnfläche des Betätigungsringes 66 ausgebildet ist. Der Betätigungsring 66 ist beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel auf einer Schulter 144 des Kupplungsgehäuses 54 im Gleitsitz gelagert. Der Anschlagstab 82 ist direkt an die Aussenseite des Betätigungsringes 66 angeformt, und der feststehende Anschlag 84 ist wieder um in und aus der Bahn des Anschlagstabes 82 bewegbar. Bei zurückgezogenem Anschlag 84 dreht sich der Betätigungsring 66 wieder mit dem Kupplungsgehäuse 54 mit, kommt der Anschlagstab 82 in Anlage an den ausgefahrenen Anschlag 84 wird der Betätigungsring 66 auf dem Kupplungsgehäuse 54 verdreht, und über die Ritzel 130 werden die Kupplungsstifte 60 aus den Kupplungs-Gewindebohrungen 32 heraus oder in diese hineingedreht. 



  Beim Herausdrehen der Kupplungsstifte kommen diese vollständig von der zugeordneten Kupplungs-Gewindebohrung 32 frei, da der Spindelabschnitt 114 weiterhin mit der Gewindehülse 116 zusammenarbeitet. Umgekehrt wird beim Herstellen der Antriebsverbindung zwischen Antriebsteil 40 und Rohrendabschnitt 24 der mit Gewinde versehene Endabschnitt 108 dadurch überhaupt an die Kupplungs-Gewindebohrung 32 herangefahren, dass der Spindelabschnitt 114 mit der Gewindehülse 116 zusammenarbeitet. 



  In der Praxis ist es nicht möglich, den Anfang sämtlicher der Kupplungs-Gewindebohrungen winkelmässig exakt gleich festzulegen, was notwendig wäre, damit die verschiedenen mit Gewinde versehenen Kupplungsstifte alle gleichzeitig in die zugeordneten Kupplungs-Gewindebohrungen 32 hineinlaufen. Um derartige Unterschiede in der Phasenlage der im Rohrendabschnitt 24 liegenden Gewinde auszugleichen, ist die Gewindehülse 116 entgegen der Kraft der gewellten Scheibenfedern 124, 126 um mindestens eine Ganghöhe verstellbar. 



  Um im Notfall einen sehr stark festgeschraubten Kupplungsstift wieder lösen zu können ist der zwischen dem Deckel 128 und dem Ritzel 130 liegende Teil des Kupplungsstiftes mit einem Sechskant 146 versehen, an welchem ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. 



  Auf folgende Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungs beispiele, die nicht in der Zeichnung wiedergegeben sind, sei nachstehend kurz hingewiesen: Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 kann der Betätigungsring 66 drehbar auf dem Antriebsteil 66 gelagert werden, wobei an die Stelle der ebenen Ringnut 98 eine in vertikaler Richtung ansteigende und abfallende Abschnitte aufweisende Nockennut-Anordnung tritt. 



   Werden beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 die Winkelhebel um eine achsparalle (vertikale) Achse drehbar gelagert, kann man ihre Betätigungsarme mit einem Betätigungsstift versehen und durch einen ähnlichen drehbaren Betätigungsring antreiben, wie er in Figur 3 gezeigt ist. 



  Umgekehrt kann man beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 auch einen axial verlagerbaren Betätigungsring 66 vorsehen, der über Keil-flächen auf dann schräg angestellte hintere Stirnflächen der Führungsköpfe 58 arbeitet. 

Claims (21)

1. Einrichtung zum Indrehungversetzen und axialen Bewegen von Bohrrohrsträngen, welche aus einem oder mehreren mechanisch miteinander verbundenen Bohrrohren bestehen, mit einem mit dem Ende des Bohrrohrstranges verbindbaren zylindrischen Antriebsteil, welches einen oberen Endabschnitt des obersten Bohrrohres des Stranges übergreifen kann und mit Kupplungsöffnungen versehen ist, die in eine mit entsprechenden Kupplungsöffnungen des Bohrrohrendes fluchtende Lage bewegbar sind, mit Kupplungsstiften, die in und aus den fluchtend ausgerichteten Kupplungsöffnungen von Antriebsteil und Bohrrohrende bewegbar sind, und mit Antrieben zum Indrehungversetzen und axialen Verfahren des Antriebsteiles, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Antriebsteiles (40) eine Führungseinrichtung (56, 58; 88;

100) trägt, durch welche die Kupplungsstifte (60) in im wesentlichen zur Rohrachse radialer Richtung verlagerbar gehalten sind, und dass eine Servoantriebseinrichtung (66, 82, 84; 100) auf die Kupplungsstifte (60) arbeitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung mit dem Antriebsteil (40) verbundene radiale Führungswände (56) sowie mit den Kupplungsstiften (60) verbundene Führungsteile (58) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Führungswänden für einen betrachteten Kupplungsstift (60) jeweils vertikale und horizontale Führungswände (56) sind und die Kupplungsstifte (60) mit zwischen diesen Führungswänden (56) Aufnahme findenden Führungsköpfen (58) verbunden sind.

4.

Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungswände durch im Boden eines becherförmigen Kupplungsgehäuses (54) ausgebildete Führungsnuten (56) und die Unterseite eines Kupplungsgehäusedeckels (66) vorgegeben sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung Führungshebel (88) aufweist, die drehbar (92) am Antriebsteil (40) gelagert sind und an ihrem freien Ende jeweils den zugeordneten Kupplungsstift (60) tragen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Arm der Führungshebel (88) verglichen mit der Wandstärke von An-triebsteil (40) und Bohrrohrendabschnitt (24) so gross ist, dass der Kupplungsstift (60) im wesentlichen senkrecht auf dem freien Arm steht.

7.

Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (92) der Führungshebel (88) in zur Wand des Antriebsteiles (40) tangentialer Richtung verlaufen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsstifte jeweils mit einem Betätigungsteil (62; 96) verbunden sind, welches durch die Führungseinrichtung nach aussen geführt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Servoantriebseinrichtung einen Betätigungsring (66) aufweist, welcher eine einzige Nut (98) oder mehrere Nuten (64) aufweist, in welche die Betätigungsteile (62; 96) für die Kupplungsstifte (60) eingreifen.

10.

Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten des Betätigungsringes (66) Nockennuten (64) sind und der Betätigungsring (66) drehbar auf dem Antriebsteil (40) gelagert ist, wobei er vorzugsweise durch Reibschluss in einer einmal eingestellten Winkelstellung gehalten bleibt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsring (66) axial verlagerbar auf dem Antriebsteil (40) geführt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsring (66) so grosses Gewicht aufweist, dass er schon durch sein Gewicht in diejenige Stellung vorgespannt ist, in welcher die Kupplungsstifte voll in die Kupplungsöffnungen des Bohrrohrendes eingefahren sind.

13.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung jeweils eine Gewindeführung (114, 116) aufweist, deren Achse mit der Achse der zugeordneten Kupplungsöffnung (50) des Antriebsteiles (40) fluchtet.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Servoantriebseinrichtung einen auf dem Antriebsteil (40) gelagerten, mit einem Zahnkranz (142) versehenen Betätigungsring (66) aufweist, der mit auf Spindelabschnitte (114) der Gewindeführungen arbeitenden Ritzeln (130) kämmt und dessen Breite mindestens um den Arbeitshub der Kupplungsstifte (60) grösser ist als die axiale Abmessung der Ritzel (130).

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzel (130) jeweils über eine Rutschkupplung (140) auf die zugeordneten Spindelabschnitte (114) arbeiten.

16.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsstifte (60) auf ihrer Aussenfläche mit Gewinden versehen sind, die gleiche Form und gleichen Drehsinn haben wie Schraubbolzen (36), die zum bleibenden Verbinden aufeinanderfolgender Bohrrohre (22) innerhalb des Bohrrohrstranges dienen.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsgewinde und die Gewinde auf den Kupplungsstiften (60) gleichen Drehsinn und gleiche Steigung haben.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Führungseinrichtungen gehörende Gewindehülsen (116) jeweils entgegen der Kraft von Rückstellfedern (124, 126) in axialer Richtung aus ihrer Ruhestellung auslenkbar sind.

19.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsring (66) erste Anschlagmittel (82) trägt, die mit feststehenden Anschlagmitteln (84) zusammenarbeiten, wobei eines dieser Anschlagmittel zwischen einer Ruhestellung und einer Arbeitsstellung verlagerbar ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtungen und die Servoantriebseinrichtung durch Arbeitszylinder (100) gebildet sind, die auf dem Antriebsteil (40) angeordnet sind und deren Kolbenstangenenden die Kupplungsstifte (60) bilden.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch den Kupplungsstiften (60) zugeordnete Stellungsfühler (104), welche jeweils bei völlig in die Kupplungsöffnungen (34) des Bohrrohrendes (24) eingefahrenen Kupplungsstiften (60) ein Kontrollsignal bereitstellen.