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Die
Erfindung betrifft eine Bohrantriebseinheit zum Antreiben eines
Bohrgestänges
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine gattungsgemäße Bohrantriebseinheit weist
unter anderem einen Drehantrieb zum Erzeugen eines Bohrdrehmomentes
auf, an dessen Abtriebswelle eine Steckverbindungseinrichtung angeordnet
ist, welche zum Aufstecken zumindest eines Bereiches des Bohrgestänges ausgebildet
ist, wobei das Bohrgestänge
axial verschiebbar und gleichzeitig in einer Umfangsrichtung drehfest zum Übertragen
des Bohrdrehmomentes gehalten ist. Die Erfindung betrifft ferner
ein Bohrgerät
nach Anspruch 7.
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Die
erfindungsgemäße Bohrantriebseinheit kann
beispielsweise im Zusammenhang mit einem Bohrgestängeelement,
insbesondere Bohrschneckenelement, zum Einsatz kommen, das einen
Endbereich aufweist, welcher als ein Teil einer drehfesten Steckverbindung
ausgebildet ist und an welchem eine Verbindungsausnehmung zum form-
und/oder kraftschlüssigen
Verbinden mit einem angrenzenden Bohrgestängeelement vorgesehen ist.
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Aus
dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 195 27 990 C1 und der
DE 27 33 028 A ,
sind Bohrgestänge
mit sogenannten Steckverbindungen bekannt. Bei solchen Steckverbindungen
wird das Drehmoment zwischen den einzelnen Bohrgestängeelementen
und/oder zwischen dem Drehantrieb des Antriebskopfes und dem Bohrgestänge beispielsweise
formschlüssig über eine
Mehrkant kontur übertragen,
die eine axiale Verschiebung zulässt.
Die axiale Verbindung der Steckverbindungen zur Übertragung der Längskraft
im Bohrstrang kann dabei durch manuell anzubringende Verbindungselemente,
wie beispielsweise Sicherungsstifte, Spannbügel, Spannhülsen, Federstecker oder ähnliche
erfolgen.
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Steckverbindungen
zur Gestängeverbindung sind
insbesondere bei Bohrschnecken weit verbreitet, weil durch sie Drehmomente
in beiden Richtungen übertragen
werden können,
ohne dass sich die Gestängeverbindung
wie bei einer Schraubverbindung löst. Auch bei glatten Gestängen kann
eine Steckverbindung eingesetzt werden.
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Um
beim Gestängeausbau
das am Drehantrieb angeordnete Bohrgestängeelement vom Drehantrieb
zu lösen,
kann es nach dem Stand der Technik erforderlich sein, dass ein Arbeiter
zu der Steckverbindung zwischen Bohrgestänge und Drehantrieb hinaufsteigt
und das Verbindungselement aus der Steckverbindung entfernt. Um
zu verhindern, dass das schwere Bohrgestänge in diesem Moment axial aus
der Gestängeverbindung
herausrutscht und den Arbeiter gefährdet, ist es erforderlich,
dieses mittels einer Hilfseinrichtung, beispielsweise mittels eines Seiles
und einer Hubwinde, abzustützen.
Trotzdem ist das manuelle Lösen
der Steckverbindung in den üblichen
Höhen vergleichsweise
aufwändig
und erfordert besondere arbeitsschutztechnische Maßnahmen
zum Schutz des Arbeiters.
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Die
DE 36 42 387 C2 offenbart
eine Einrichtung zum Drehen und axialen Bewegen von Bohrrohrgestängen. Die
Einrichtung weist Kupplungsstifte auf, die radial zur Rohrachse
verlagerbar sind und die mittels einer Servoantriebseinrichtung
betätigbar sind.
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Die
gattungsbildende
DE
41 13 847 C1 offenbart eine Kupplungseinheit zum lösbaren Verbinden
des Endes eines Bohrstranges mit einem umlaufenden Antriebsrohr.
Die Kupplungseinheit hat am unteren Ende des Antriebsrohres um horizontale Achsen
verkippbare Kupplungshebel. Die unteren Enden dieser Kupplungshebel
tragen Mitnehmerzapfen, welche in Mitnehmeröffnungen des Bohrrohrstranges
eingreifen können.
Zum Verschwenken der Kupplungshebel ist ein axial bewegliches Stellrohr vorgesehen,
dessen unteres Ende Druckrollen trägt, welche auf den äußeren Begrenzungsflächen der Kupplungshebel
laufen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Bohrantriebseinheit, und ein Bohrgerät zur Verfügung zu stellen,
die bei hoher Wirtschaftlichkeit eine besonders hohe Betriebssicherheit
gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Bohrantriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bohrgerät mit den
Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den jeweils abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
ist zusätzlich
zu der Steckverbindungseinrichtung eine Sicherungseinrichtung mit
mindestens einem radial zum Bohrgestänge verstellbaren Sicherungselement
angeordnet, welches mittels einer Betätigungseinheit zwischen einer
Freigabeposition, in welcher das mindestens eine Sicherungselement von
dem Bohrgestänge
beabstandet ist, und einer Sicherungsposition verstellbar ist, in
welcher das Bohrgestänge
durch das mindestens eine Sicherungselement zur axialen Sicherung
formschlüssig
kontaktiert ist.
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Ein
erster Grundgedanke der Erfindung kann in einem betätigungseinheitsbetriebenen
Sicherungselement gesehen werden, das in der Sicherungsposition
das Bohrgestänge
gegen axiales Ver schieben sichert und in der Freigabeposition eine
axiale Entnahme des Bohrgestänges
erlaubt. Mittels der Erfindung ist es möglich, eine temporäre, axiale, formschlüssige Sicherung
von Bohrgestängen
mit Steckverbindungen unterhalb des Antriebskopfes mit Drehantrieb
herzustellen. Diese Sicherung gegen axiales Herausrutschen des Bohrgestänges aus
der Steckverbindung wird erfindungsgemäß fernbetätigt mittels der Betätigungseinheit
gelöst,
ohne dass, wie nach dem Stand der Technik bekannt, manuelle Arbeiten
unmittelbar an der Steckverbindung erforderlich sind. Der Ausbau
des Gestänges
vom Drehantrieb kann somit für
den Arbeiter gefahrlos erfolgen.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
zusätzlich
zur erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung
weitere axiale Halteeinrichtungen vorzusehen, die beispielsweise
Verbindungselemente wie Sicherungsstifte, Spannbügel, Spannhülsen, Federstecker oder ähnliche
aufweisen können.
In diesem Fall kann vorgesehen sein, das Bohrgestänge während des
Bohrbetriebes ausschließlich über die,
insbesondere manuell anzubringenden, Verbindungselemente axial am Drehantrieb
zu haltern, während
die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung
nur im Rahmen des Gestängeausbaus
betätigt
wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Sicherungselement während des
Bohrbetriebes in der Freigabeposition anzuordnen, es zum Gestängewechsel
in die Sicherungsposition zu verbringen, dann das Halteelement manuell zu
entfernen, wobei eine axiale Sicherung weiterhin durch die Sicherungseinrichtung
gegeben ist. Nachdem sich der Arbeiter von der Steckverbindungseinrichtung
entfernt hat, kann auch die Sicherungseinrichtung freigegeben werden.
In diesem Fall ist es möglich,
die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung
besonders einfach zu konstruieren, da diese nur statische Kräfte, häufig auch
nur eines Bohrgestängeteilabschnittes,
aufnehmen muss und nicht die hohen Betriebskräfte beim Bohrbetrieb, welche
durch die Verbindungselemente aufgenommen werden. Zur Unterstützung der
Verbindungselemente kann das Sicherungselement auch beim Bohrbetrieb
in seine Sicherungsposition verbracht werden.
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Es
ist aber nach der Erfindung auch möglich, dass die axiale Sicherung
zwischen Drehantrieb. und Bohrgestänge auch beim Bohrbetrieb ausschließlich durch
die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung bewirkt
wird.
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Das
Sicherungselement ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass es axial
gerichtete, also längs
des Bohrgestänges
gerichtete, Kräfte übertragen
kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Sicherungselement
zur Drehmomentübertragung
zwischen Drehantrieb und Bohrgestänge bei Sicherungsposition
ausgebildet ist.
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Geeigneterweise
ist die Steckverbindungseinrichtung zur formschlüssigen Drehmomentübertragung
zwischen Drehantrieb und Bohrgestänge ausgebildet. Insbesondere
ist es vorteilhaft, dass die Steckverbindungseinrichtung eine hülsenförmige Steckaufnahme
aufweist, welche an ihrer Innenseite zur Übertragung des Bohrdrehmomentes
Nuten und/oder Vorsprünge,
insbesondere polygonförmig angeordnete
Flächen,
aufweist. Vorzugsweise kann die Steckverbindungseinrichtung als
Mehrkant-Gestängeverbindung,
beispielsweise als Vierkant-, Sechskant- oder Achtkant-Verbindung, ausgebildet sein.
Bei einer derart ausgebildeten Steckverbindungseinrichtung ist die
Winkelorientierung im rotierenden Teil eindeutig gegeben, so dass
eine besonders zuverlässige
Betätigung
der Sicherungseinrichtung möglich
ist. Grundsätzlich
ist es auch möglich, mit
glatten, zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Gestängeverbindern
zu arbeiten. In diesem Fall kann beispielsweise ein Indexbolzen
vorgesehen sein, der die Winkelorientierung vorgibt.
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Die
Zuverlässigkeit
der erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
kann dadurch weiter erhöht
werden, dass an der Streckverbindungseinrichtung und/oder am Bohrgestänge ein
Anlagebund vorgesehen ist, durch welchen eine Axialverschiebung
des Bohrgestänges
relativ zum Drehantrieb begrenzt wird. Ein solcher Anlagebund ermöglicht es,
die Längsposition
des Bohrgestänges
bezüglich
des Drehantriebs präzise
zu definieren, so dass die Sicherungseinrichtung zuverlässig betätigt werden kann.
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Die
Betätigungseinheit
weist ein Stellglied auf, welches beispielsweise elektrisch, pneumatisch und
vorzugsweise hydraulisch betätigbar
ist. Erfindungsgemäß weist
die Betätigungseinheit
mindestens einen Stellzylinder auf.
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Erfindungsgemäß ist die
Betätigungseinheit dafür ausgelegt,
in einem Ruhezustand das Sicherungselement in der Sicherungsposition
zu halten. Unter dem Ruhezustand kann insbesondere ein Zustand verstanden
werden, bei dem die Betätigungseinheit
nicht mit Energie, beispielsweise elektrischer, pneumatischer und/oder
hydraulischer Energie, versorgt wird. Gemäß diesem Erfindungsaspekt ist
die Sicherungseinrichtung mit einer "fail-safe"-Funktion ausgestattet, die sicherstellt,
dass das Bohrgestänge bei
Ausfall der Hilfsenergie sicher gehalten wird und keine Gefährdung der
Arbeiter darstellt.
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Eine
konstruktiv besonders einfache und zuverlässige Bohrantriebseinheit ist
nach der Erfindung dadurch gegeben, dass die Betätigungseinheit mindestens einen
Stellzylinder aufweist, durch welchen bei Energiebeaufschlagung
das Sicherungselement von der Sicherungsposition in die Freigabeposition verstellbar
ist. Der Stellzylinder, der vorzugsweise hydraulisch ist, kann über ein Übersetzungselement oder
direkt mit dem Sicherungselement verbunden sein. Für eine besonders
kompakte und betriebssichere Bohrantriebseinheit ist es vorteilhaft,
dass das Übertragungselement
so ausgebildet ist, dass es eine im Wesentlichen axial, das heißt längs des
Bohrgestänges
gerichtete Kraft des Stellgliedes in eine radial gerichtete Kraft
auf das Sicherungselement umwandelt. Sofern mindestens ein Stellzylinder
verwendet wird, verläuft
dieser geeigneterweise in Axialrichtung, das heißt parallel zur Längsachse
des Bohrgestänges.
Das Übertragungselement
weist geeigneterweise zumindest einen Hebel, insbesondere einen Winkelhebel
auf, der vorzugsweise um eine zumindest annähernd senkrecht zur Längsachse
des Bohrgestänges
verlaufende Achse drehbar gelagert ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, dass das Sicherungselement als ein Bolzen ausgebildet
ist, welcher mit einem federgespannten Hebelmechanismus in der Sicherungsposition
gehalten wird. Bei der Feder kann es sich beispielsweise um eine
Schraubfeder handeln, die vorzugsweise in Axialrichtung verläuft.
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Die
Zuverlässigkeit
der erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
kann weiter dadurch erhöht
werden, dass das Sicherungselement mit einem Keilschiebermechanismus
verstellbar ist. In diesem Fall kann der Keilschiebermechanismus
die Übertragungseinheit
darstellen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass die eine Schrägfläche des Keilschiebermechanismus
als Ringoberfläche
an einer Glocke ausgebildet ist, die axial an der Sicherungseinrichtung
verschiebbar ist. Mit einer solchen Anordnung können mehrere Sicherungselemente
in zuverlässiger
Weise synchron betätigt werden.
Die zweite Schrägfläche kann
beispielsweise an der Kugeloberfläche kugelförmiger Sicherungselemente vorgesehen
sein.
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Erfindungsgemäß ist die
Sicherungseinrichtung zweiteilig ausgeführt, mit einem ersten Teil,
der drehfest mit der Abtriebswelle des Drehantriebes verbunden ist
und einem zweiten Teil, der drehfest mit einem stationären Teil
des Drehantriebes, beispielsweise seinem Gehäuse, verbunden ist. Dabei sind das
Sicherungselement am mitdrehenden ersten Teil und das als Stellzylinder
ausgebildete Stellelement am zweiten Teil der Sicherungseinrichtung
vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die
Betätigungseinrichtung so
ausgebildet, dass die beiden Teile der Sicherungseinrichtung bei
Sicherungsposition des Sicherungselementes relativ zueinander frei
drehbar sind. Hierzu weist die Betätigungseinheit ein Verschiebeelement auf,
das zwischen einer Rückzugstellung,
in der die beiden Teile für
eine Relativdrehung freigeben sind, und einer Vorschubstellung verschiebbar
ist, in der es die beiden Teile verbindet und dabei das Sicherungselement
in die Freigabeposition verbringt. Vorzugsweise ist das Verschiebeelement
als ringartige Schiebekulisse ausgebildet, welche die Abtriebswelle und/oder
die Steckverbindungseinrichtung umgibt.
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Eine
besonders sichere Bohrantriebseinheit ist dadurch gegeben, dass
mehrere Sicherungselemente vorgesehen sind. In diesem Fall sind
die Sicherungselement bevorzugt in einer gleichmäßigen Teilung um die Steckverbindungseinrichtung und/oder
das Bohrgestänge
vorgesehen. Geeigneterweise ist die Betätigungseinheit zum synchronen Betätigen der
Sicherungseinrichtungen ausgebildet.
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Nach
einem weiteren Erfindungsaspekt ist ein Bohrgerät mit einem Mast vorgesehen,
an welchem eine erfindungsgemäße Bohrantriebseinheit verschiebbar
angeordnet ist.
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Bei
einem Bohrgestängeelement
zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit kann
vorgesehen sein, dass beabstandet von der Verbindungsausnehmung
mindestens eine Sicherungsausnehmung zum formschlüssigen Eingreifen
eines Sicherungselementes angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist die Sicherungsausnehmung axial beabstandet und/oder unterschiedlich
zur Verbindungsausnehmung ausgebildet. Durch die unterschiedliche
Ausbildung der beiden Ausnehmungen kann dem Umstand Rechnung getragen
werden, dass die beiden Ausnehmungen zur Übertragung von Kräften unterschiedlicher
Richtung und/oder Größenordnung
dienen können.
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Die
erfindungsgemäße Bohrantriebseinheit kann
bei einem Bohrverfahren zum Herstellen einer Bohrung mit einem Bohrgestänge zum
Einsatz kommen, das aus mehreren Bohrgestängeelementen aufgebaut ist,
wobei aneinander angrenzende Bohrgestängeelemente mittels mindestens
einem Verbindungselement miteinander fest verbunden werden, nach
einem Niederbringen der Bohrung das Bohrgestänge gezogen wird und das jeweils
oberste Bohrgestängeelement
durch Entfernen des mindestens einen Verbindungselementes vom restlichen
Bohrgestänge
axial gelöst
und nach oben abgezogen wird.
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Bei
einem solchen Bohrverfahren kann vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße Bohrantriebseinheit
mit einer Sicherungseinrichtung verwendet wird, und dass vor dem
Abziehen des obersten Bohrgestängeelementes
mindestens ein Sicherungselement der Sicherungseinrichtung radial
an das Bohrgestänge
zugestellt und in formschlüssigen Kontakt
dazu gebracht wird.
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Bevorzugt
ist die Bohrantriebseinheit beim Niederbringen der Bohrung über mindestens
ein weiteres Verbindungselement mit dem Bohrgestänge verbunden, wobei dieses
weitere Verbindungselement nach dem Zustellen des Sicherungselementes gelöst werden
kann. Zur Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit kann vorgesehen sein, die Verbindung zwischen den
Bohrgestängeelementen
untereinander und die Verbindung zwischen Bohrgestängeelement
und Bohrantriebseinheit, insbesondere Drehantrieb, mittels derselben
Verbindungselemente durchzuführen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass das oberste Bohrgestängeelement mit der Bohrantriebseinheit nach
oben verfahren wird und dass anschließend das Sicherungselement
radial rückgestellt
und das Bohrgestängeelement
freigegeben wird. Sofern zwischen oberstem Bohrgestängeelement
und Bohrantriebseinheit mindestens ein weiteres Verbindungselement vorgesehen
ist, wird dieses geeigneterweise vor dem Verfahren der Bohrantriebseinheit
nach oben gelöst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, die schematisch
in den Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen:
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1 ein
Baugerät
mit einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
beim Ausbau des obersten Gestängeelementes;
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2 eine
Längsschnittsansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit,
linksseitig mit dem Sicherungselement in der Sicherungsposition
und rechtsseitig mit dem Sicherungselement in der Freigabeposition,
wobei die Sicherungseinrichtung einen Hebelmechanismus zum Betätigen des
Sicherungselementes aufweist;
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
in Längsschnittansicht,
linksseitig mit dem Sicherungselement in der Sicherungsposition
und rechtsseitig mit dem Sicherungselement in der Freigabeposition, wobei
die Siche rungseinrichtung einen Keilschiebermechanismus zum Betätigung des
Sicherungselementes aufweist;
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4 eine
Längsschnittsansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit,
linksseitig mit dem Sicherungselement in der Sicherungsposition
und rechtsseitig mit dem Sicherungselement in der Freigabeposition,
wobei die Sicherungseinrichtung einen unterschiedlich ausgeführten Keilschiebermechanismus zum
Betätigen
des Sicherungselementes aufweist;
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5 eine
Querschnittsansicht der Bohrantriebseinheit der 4 auf
Höhe des
Sicherungselementes, wobei die Schiebekulisse und sonstige radial
weiter außen
liegende Elemente der Übersichtlichkeit
halber weggelassen wurden;
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6 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines Bohrgestängeelementes
zur Verwendung an der erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit, das unten
mit einem weiteren Bohrgestängeelement
verbunden ist;
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7 eine
Querschnittsansicht der Bohrgestängeelemente
aus 6 im Bereich ihrer Verbindung;
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8 eine
Längsschnittsansicht
der Bohrgestängeelemente
der 6 im Bereich ihrer Verbindung;
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9 eine
Seitenansicht eines weiteren Bohrgestängeelementes zur Verwendung
mit einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit;
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10 eine
Querschnittsansicht zweier Bohrgestängeelemente aus 9 im
Bereich ihrer Verbindung; und
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11 eine
Längsschnittsansicht
zweier Bohrgestängeelemente
nach 9 im Bereich ihrer Verbindung.
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Gleich
oder ähnlich
wirkende Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Bohrgerät 10 bei
der Durchführung
eines Bohrverfahrens. Das Bohrgerät 10 weist ein Fahrgestell 11 auf,
an dem ein Mast 12 höhenverstellbar
und verschwenkbar angeordnet ist. Am Mast 12 ist eine Bohrantriebseinheit 30 vorgesehen,
die zum axialen Verschieben eines Bohrgestänges 70 über einen
Schlitten längsverschiebbar
am Mast 12 gelagert ist. Zum drehenden Antreiben des Bohrgestänges 70 ist
an der Bohrantriebseinheit 30 ein Drehantrieb 32 vorgesehen.
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Die
einzelnen Bohrgestängeelemente 72, 73 des
Bohrgestänges 70 sind
miteinander über
drehfeste, weiter unten im Detail beschriebene Steckverbindungen
verbunden, die ein axiales Ineinanderstecken der einzelnen Bohrgestängeelemente 72, 73 zulassen. Über eine
solche Steckverbindung ist das Bohrgestänge 70 auch mit der
Bohrantriebseinheit 30 verbindbar. Zum axialen Sichern
der einzelnen Gestängeelemente 72, 73 untereinander
und/oder an der Bohrantriebseinheit 30 sind nicht dargestellte Verbindungselemente
vorgesehen. Zum temporären axialen
Sichern des Bohrgestänges 70 an
der Bohrantriebseinheit 30 weist diese an ihrer Unterseite eine
Sicherungseinrichtung 50 auf.
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1 zeigt
das Bohrgerät 10 unmittelbar nach
dem Ausbau des obersten Bohrgestängeelementes 72 des
Bohrgestänges 70.
Zum Ausbau wird das axial an der Bohrantriebseinheit 30 gesicherte Bohrgestänge 70 durch
Verfahren der Bohrantriebseinheit 30 am Mast 12 nach
oben so weit gezogen, bis das oberste Bohrgestängeelement 72 freiliegt. Mittels
einer fußseitig
am Mast 12 angebrachten Greifeinrichtung 14, die
auch als Klemmeinrichtung bezeichnet werden kann, wird anschließend das Bohrgestänge 70 an
seinem unmittelbar unterhalb des obersten Bohrgestängeelementes 72 liegenden Bohrgestängeelement 73 gegriffen.
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Sodann
wird die axiale Sicherung zwischen den übereinander liegenden Bohrgestängeelemente 72 und 73 gelöst und das
obere Bohrgestängeelement 72 durch
weiteres Anheben der Bohrantriebseinheit 30 aus dem darunter
liegenden Bohrgestängeelement 73 herausgezogen.
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Weiter
wird das oberste Bohrgestängeelement 72 temporär mittels
eines Seiles 17, das den Mast 12 kopfseitig umläuft und
mittels einer Hubwinde 18 betreibbar ist, gegen ein axiales
Herausfallen aus der Bohrantriebseinheit 30 gesichert.
Die Bohrantriebseinheit 30 wird weiter angehoben. Anschließend werden
eventuell zwischen Bohrantriebseinheit 30 und dem obersten
Bohrgestängeelement 72 vorgesehene
Verbindungselemente manuell gelöst
und schließlich
die Sicherungseinrichtung 50 ferngesteuert freigegeben.
Hierdurch rutscht das oberste Bohrgestängeelement 72 aus
seiner Steckverbindung mit der Bohrantriebseinheit 30 axial
nach unten und wird vom Seil 17 gefangen. Dieser Zustand
ist in 1 dargestellt. Das oberste Bohrgestängeelement 72 ist nun
vollständig
ausgebaut und kann beispielsweise durch Betätigen des Seiles 17 entfernt
werden.
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Anschließend wird
die Bohrantriebseinheit 30 am Mast 12 gesenkt
und axial mit dem darunter liegenden Bohrgestängeelement 73 verbunden.
Nun kann die Greifereinrichtung 14 gelöst werden und das nächste Bohrgestängeelement 73,
wie gerade beschrie ben, gezogen und ausgebaut werden. Dies kann
wiederholt werden, so lange, bis das gesamte als Schneckenbohrer
ausgebildete Bohrgestänge ausgebaut
ist.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit 30 ist
in 2 dargestellt, wobei die linke Hälfte der 2 die
Sicherungseinrichtung in Sicherungsposition und die rechte Hälfte die
Sicherungseinrichtung in Freigabeposition zeigt.
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Die
Bohrantriebseinheit 30 weist einen lediglich schematisch
dargestellten Drehantrieb 32 mit einer Abtriebswelle 34 auf.
Unten an der Abtriebswelle 34 ist eine als Verlängerung
der Abtriebswelle 34 ausgebildete Steckverbindungseinrichtung 40 drehfest
angeflanscht, an deren Unterseite eine Steckaufnahme 42 ausgebildet
ist. In diese Steckaufnahme 42 ist ein beispielsweise als
Bohrschnecke ausgebildetes Bohrgestänge 70 einschiebbar.
Zur Drehmomentübertragung
von der Abtriebswelle 34 zum Bohrgestänge 70 kann die Steckaufnahme 42 beispielsweise
eine Mehrkant-Schlüsselfläche, aufweisen,
wobei eine korrespondierende Fläche
am Bohrgestänge 70 vorgesehen
ist.
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Zum
Sichern des in die Steckaufnahme 42 eingeschobenen Bohrgestänges 70 gegen
ein axiales Herausrutschen ist unterseitig an der Bohrantriebseinheit 30 eine
Sicherungseinrichtung 50 vorgesehen. Diese weist einen
unteren, mitdrehenden, ersten Teil 48 auf, der drehfest
an der Steckverbindungseinrichtung 40 und somit der Abtriebswelle 34 angeordnet
ist. Ferner weist die Sicherungseinrichtung 50 einen oberen,
feststehenden zweiten Teil 49 auf, der drehfest am nicht-rotierenden
Teil des Drehantriebs 32, beispielsweise am Gehäuse oder
am Schlitten, angeordnet ist.
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Der
feststehende, zweite Teil 49 der Sicherungseinrichtung 50 weist
mehrere hydraulische Stellzylinder 56 auf, die parallel
zur Längsachse
des Bohrgestänges 70 verlaufen
und auf einem die Abtriebswelle 34 und/oder die Steckverbindungseinrichtung 40 umgebenden
Kreis angeordnet sind. An ihrem einen Ende, beispielsweise an dem
Zylindergehäuse,
sind die Stellzylinder 56 an einem nicht-rotierenden Teil
der Bohrantriebseinheit 30, beispielsweise am Gehäuse des
Drehantriebes 32, angeordnet. Am anderen Ende der Stellzylinder 56 ist
eine ringartige Schiebekulisse 21 vorgesehen, die auch
als Verschiebeelement bezeichnet werden kann. Diese Schiebekulisse 21 umgibt
die Abtriebswelle 34 und/oder die Steckverbindungseinrichtung 40 und weist
ein Hülsenelement 22 auf,
dass das in einer fest am Gehäuse
des Drehantriebs 32 angeordneten Hülse 23 in Axialrichtung
längsverschiebbar
angeordnet ist. An dem Hülsenelement 22 steht
radial nach außen
ein ringartiger Vorsprung 25 vor, auf dem die Stellzylinder 56 aufstehen.
Durch Betätigen
der Stellzylinder 56 kann die Schiebekulisse 21 gegenüber der
Abtriebswelle 4 vor- und zurückbewegt werden.
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Zum
axialen Sichern des Bohrgestänges 70 weist
die Sicherungseinrichtung 50 in ihrem mitdrehenden, ersten
Teil 48 mehrere Sicherungselemente 52 auf, die
in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
als Verriegelungsbolzen ausgeführt sind.
Diese Verriegelungsbolzen sind in dem mitdrehenden, ersten Teil 48 gleitend
gelagert und führen eine
Zwangsbewegung radial zur Längsachse
des Bohrgestänges,
das heißt
zur Drehachse der Bohrantriebseinheit 30 aus. An ihrem
der Längsachse
zugewandten Ende besitzen die als Verriegelungsbolzen ausgebildeten
Sicherungselemente 52 jeweils eine Kontur 53,
die korrespondierend zu Sicherungsausnehmungen 80 im Bohrgestänge 70 ausgebildet ist.
Durch radiales Einfahren der Sicherungselemente 52 mit
der Kontur 53 in die Sicherungsausnehmungen 80 wird
eine Formschlussverbindung hergestellt, welche das Bohr gestänge 70 gegen
eine Axialbewegung sichert. Die Kontur 53 weist zum leichteren
Einschieben eine Kegelform auf, wobei entsprechend die Sicherungsausnehmung 80 als
konische Bohrung ausgebildet ist.
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An
den radial nach außen
gerichteten Enden der bolzenartigen Sicherungselemente 52 des
Ausführungsbeispiel
der 2 ist jeweils ein Gelenkhebel 57 angelenkt,
wobei diese Gelenkhebel 57 einen Hebelmechanismus bilden.
Die Gelenkhebel 57 weisen jeweils einen etwa axial verlaufenden
Hebelarm sowie einen etwa radial verlaufenden Hebelarm auf und sind
jeweils um eine senkrecht zur Längsachse der
Bohrantriebseinheit verlaufende, tangentiale Schwenkachse schwenkbar
gelagert. An den axial verlaufenden Hebelarmen der Gelenkhebel 57 ist
jeweils das zugehörige
Sicherungselement 52 angelenkt. An den radial verlaufenden
Hebelarmen der Gelenkheben 57 ist jeweils eine axial verlaufende
Feder 59 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Schraubfeder ausgeführt
ist. An ihrem dem Gelenkhebel 57 abgewandten Ende sind
die Federn 59 an einem fest mit der Führung der Sicherungselemente 52 verbundenen
Teil der Sicherungseinrichtung 50, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit
der Verlängerung
der Abtriebswelle 34 verbunden.
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Die
Schiebekulisse 21 weist stirnseitig eine Andruck- und Gleitfläche 27 auf,
die so angeordnet ist, dass sie bei ausgefahrenen Stellzylindern 56 auf den
radialen Hebelarmen der Gelenkhebel 57 aufsteht und diese
betätigt.
Hierdurch werden die Sicherungselemente 52 radial nach
außen
verschoben und das Bohrgestänge 70 freigegeben.
Werden die Stellzylinder 56 hingegen eingefahren, so wird
die Schiebekulisse 21 von den Gelenkhebeln 57 abgehoben
und die beiden Teile 48, 49 der Sicherungseinrichtung
sind frei gegeneinander drehbar. Die Feder 59 ist so angeordnet,
dass in diesem Fall das Sicherungselement 52 durch ihre
Federkraft in die Sicherungsposition bewegt wird. Somit wird die
Sicherungseinrichtung 50 nur bei Beaufschlagung der Stellzylinder 56 mit
Energie gelöst
und folglich eine "fail-safe"-Funktion zur Verfügung gestellt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 2 können die
feststehenden Stellzylinder 56 somit über die Schiebekulisse 21 mit
ihrer Andruck- und Gleitfläche 27 auf
die Gelenkhebel 57 am mitdrehenden Teil 48 einwirken,
wobei die Gelenkhebel 57 wiederum auf die Sicherungselemente 52 am
mitdrehenden Teil 48 einwirken. Stellzylinder 56,
Schiebekulisse 21 und Gelenkhebel 57 sind folglich
Teil einer Betätigungseinheit 54 für die Sicherungselemente 52.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit
ist in 3 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel
der 2 im Wesentlichen dadurch, dass gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3 anstelle eines Hebelmechanismus ein Keilschiebermechanismus
zur Betätigung der
Sicherungselemente vorgesehen ist. Demgemäß unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel
der 3 vom Ausführungsbeispiel
der 2 im Wesentlichen durch die Ausführung des
mitdrehenden, ersten Teils 48 der Sicherungseinrichtung 50.
Die verbleibenden Elemente sind zumindest ähnlich zum Ausführungsbeispiel
der 2 ausgeführt
und werden zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle nicht
nochmals erläutert.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3 sind die Sicherungselemente 52 als
Kugeln ausgebildet. Diese Kugeln sind in entsprechenden Kugelführungen 67 in
der Steckaufnahme 42 radial zwischen Sicherungsposition
und Freigabeposition verschiebbar angeordnet. Die als Ausnehmungen
ausgeführten
Kugelführungen 67 sind
dabei konisch mit radial nach außen aufweitendem Durchmesser
ausgebildet, um eine radiale Beweglichkeit zu ermöglichen und
gleichzeitig ein radiales Durchfallen der kugelförmigen Sicherungselemente 52 nach
innen bei entnommenen Bohrgestänge 70 zu
verhindern. Radial nach außen
werden die kugelförmigen
Sicherungselemente 52 durch eine hülsenartige Glocke 64 gehalten,
welche die Steckaufnahme 42 umgibt. Diese Glocke 64 ist
drehfest und axial verschiebbar gegenüber der Steckaufnahme 42 vorgesehen,
also Bestandteil des mitdrehenden ersten Teiles 48 der
Sicherungseinrichtung 50.
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Oben
an der axial verschiebbaren Glocke 64 sind Federn 59 vorgesehen,
welche die Glocke im Ruhezustand der Stellzylinder 56 in
einer oberen Position halten. Bei dieser oberen Position der Glocke 64 befindet
sich ein innen an der Glocke 64 ausgebildeter, ringartiger
Vorsprung 66 auf Höhe
der Kugelführungen 67 und
liegt an den kugelförmigen
Sicherungselementen 52 an. Hierdurch werden die Sicherungselemente 52 in
der Sicherungsposition gehalten.
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Werden
die Stellzylinder 56 betätigt, so kommt die daran angeordnete
Schiebekulisse 21 an der Glocke 64 zur Auflage
und diese wird mit der Schiebekulisse 21 entgegen der Federkraft
der Federn 59 nach unten verschoben. Der Vorsprung 66 wird
dabei gegenüber
den konischen Kugelführungen 67 in
der Steckaufnahme 42 axial nach unten versetzt. Die kugelförmigen Sicherungselemente 52 können nun
durch Schwerkraft und/oder durch Fliehkraftwirkung radial nach außen in die
Freigabeposition gelangen, wodurch die Axialsicherung des Gestänges 70 freigegeben
wird.
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Der
Vorsprung 66 weist oberseitig eine Schrägfläche 69 auf, die zusammen
mit der gekrümmten
Oberfläche
der kugelförmigen
Sicherungselemente 52 einen Keilschiebermechanismus bildet, welcher
die Axialbewegung der Glocke 64 in eine Radialbewegung
der Sicherungselemente 52 umwandelt.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 ermöglicht
einen besonders sicheren Betrieb der Bohrantriebseinheit, auch wenn
hohe Fliehkräfte
auf die Sicherungseinrichtung 50 wirken.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit 30 ist
in den 4 und 5 dargestellt. Elemente, die
im Vergleich mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gleich wirken,
sind zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle nicht nochmals
im Detail beschrieben.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 4 sind plattenartige Sicherungselemente 52 vorgesehen,
die auch als Formstücke
bezeichnet werden können.
Auf ihrer radial innen liegenden Seite weisen die als Formstücke ausgebildeten
Sicherungselemente 52 längliche,
tangential verlaufende Konturen 53 auf, die zum axialen
Sichern des Bohrgestänges 70 in
die korrespondierenden Sicherungsausnehmungen 80 radial
eingeschoben werden können.
Die Sicherungsausnehmungen 80 sind im Ausführungsbeispiel
der 4 und 5 als senkrecht zur Bohrachse
verlaufende Nuten ausgebildet. Sie können insbesondere auch als
Verbindungsausnehmungen zum axialen Sichern zweier benachbarter
Bohrgestänge 70 dienen.
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Die
Sicherungselemente 52 sind in korrespondierenden, senkrecht
zur Bohrachse verlaufenden Schlitzen in der Steckverbindungseinrichtung 40 gleitend
gelagert und führen
eine Zwangsbewegung radial zur Bohrdrehachse aus.
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Zum
radialen Verschieben der Sicherungselemente 52 ist beiderseits
jedes Sicherungselementes 52 an der Schiebekulisse 21 je eine
schräg
verlaufende Schiene 101, 101' vorgesehen. Die Schienen 101, 101' greifen in
entsprechende seitliche Ausnehmungen 103, 103' des Sicherungselementes 52 ein.
Die Schienen 101, 101' verlaufen schräg zur Bohrdrehachse, und zwar
derart, dass sie sich an ihrem oberen, dem Drehantrieb 32 zugewandten
Ende näher
an der Bohrdrehachse, also radial weiter innen befinden als an ihrem
unteren Ende.
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Wird
die Schiebekulisse 21 nach unten, vom Drehantrieb 32 hinweg
verfahren, so wird, wie linksseitig in 4 dargestellt,
das lediglich radial bewegliche Sicherungselement 52 von
den Schienen 101, 101' radial nach innen in die Sicherungsposition
verfahren. Wird, wie in 4 rechts dargestellt, die Schiebekulisse 21 hingegen
nach oben verschoben, so ziehen die Schienen 101, 101' die Sicherungselemente 52 radial
nach außen
in die Freigabeposition. Die schrägen Schienen 101, 101' bilden zusammen mit
den Ausnehmungen 103, 103' einen Keilschiebermechanismus
zur radialen Betätigung
der Sicherungselemente 52.
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Im
Gegensatz zu den Federn 59 der Ausführungsbeispiele der 2 und 3,
die als Zugfedern ausgebildet sind, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 eine
Druckfeder 159 vorgesehen, welche die Steckverbindungseinrichtung 40 umgibt. Diese
Druckfeder 159, die einerseits auf der Steckverbindungseinrichtung 40 und
andererseits auf der Schiebekulisse 21, insbesondere oberhalb
der Schienen 101, 101', aufliegt, sorgt dafür, dass
die Schiebekulisse 21 bei einem Energieabfall an den Stellzylindern 56 axial
vom Drehantrieb 32 hinweg nach unten verschoben wird und
somit die Sicherungselemente 52 in die Sicherungsposition
verfahren werden. Somit ist auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel
eine "fail-safe"-Funktion realisiert.
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Um
eine Drehbewegung der Steckverbindungseinrichtung 40 von
den Stellzylindern 56 zu entkoppeln, kann beispielsweise
vorgesehen sein, die Stellzylinder 56 über T-Stücke mit der Schiebekulisse 21 zu
koppeln, die in korrespondierende T-Ausnehmungen eingreifen, welche
ringförmig
im Vorsprung 22 ausgebildet sind. Diese T-förmigen Elemente
sind in 4 nicht dargestellt. Alternativ
kann auch vorgesehen sein, die Schiebekulisse 21 mehrteilig
auszubilden, wobei dann der Vorsprung 25 gegenüber den
Schienen 101, 101' drehbar,
jedoch in Axialrichtung fest gelagert sein kann.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
von Bohrgestängeelementen 72, 73,
die beispielsweise wendelbelegt sein können, ist in den 6 bis 8 dargestellt.
Diese Bohrgestängeelementen 72, 73 können bei
einer erfindungsgemäßen Bohrantriebseinheit 30 zum
Einsatz kommen.
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Wie
in 7 erkennbar ist, weisen die Bohrgestängeelemente 72, 73 in
ihren Endbereichen 74 eine Achtkantkontur auf, über die
mit dem jeweils benachbarten Bohrgestängeelement 72, 73 oder
einer in den Figuren nicht dargestellten Bohrantriebseinheit eine
drehfeste Steckverbindung herstellbar ist.
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Zum
axialen Sichern der zusammengesteckten Bohrgestängeelemente 72, 73 sind
in ihren Endbereichen 74 Verbindungsausnehmungen 76 vorgesehen,
in welche beispielsweise als Spannbügel ausgebildete Verbindungselemente 78 zum
axialen Sichern eingeschoben werden können. Zusätzlich zu den Verbindungsausnehmungen 76 sind
in den Endbereichen 74 Sicherungsausnehmungen 80 vorgesehen,
die zum formschlüssigen
Eingreifen von Sicherungselementen einer Bohrantriebseinheit bei
einer temporären
axialen Sicherung dienen. Diese Sicherungsausnehmungen 80 sind
im Vergleich zu den Verbindungsausnehmungen 76 durchmessergrößer und
axial zur Mitte des jeweiligen Bohrgestängeelementes 72, 73 hin
versetzt ausgebildet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
von Bohrgestängeelementen
ist in 9 bis 11 dargestellt. Die dargestellten
Bohrgestängeelemente
sind außen
glatt ausgeführt
und können
beispielsweise ein Hochdruckinjektionsgestänge (HDI-Gestänge) bilden.
Wie insbesondere den 10 und 11 zu entnehmen
ist, sind die Bohrgestängeelemente 72, 73 ebenfalls
für eine
Steckverbindung vorgesehen, wobei diese jedoch keine Polygonfläche aufweist, sondern
kreiszylindrisch ausgeführt
ist. Zur axialen und drehmomentübertragenden
Verbindung der beiden Bohrgestängeelemente 72, 73 sind
Konusbolzen 90 vorgesehen, welche in gegenüberliegende
Ausnehmungen benachbarter Bohrgestängeelemente 72, 73 einschiebbar
sind. Diese Ausnehmungen können
auch zum Eingreifen eines in den Figuren nicht dargestellten Sicherungselementes
einer Sicherungseinrichtung einer Bohrantriebseinheit dienen.