DE1024458B - Tiefbohranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Anlagen und Geräte für Erdbohrungen, insbesondere Tiefbohrungen, die erforderlich sind, um zu Ölfeldern zu gelangen. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die gewünschte Tiefe der Bohrungen mit kleineren Kosten und in kürzerer Zeit zu erreichen, als es bisher für möglich gehalten wurde.

Es sind verschiedene Bohrsysteme entwickelt worden, zu denen das Drehbohrsystem gehört, bei dem eine Bohrerspitze unter statischer Last gedreht wird, um die unter der Erdoberfläche liegenden Schichten zu durchdringen. Auch das stoßende Bohren ist mit Erfolg angewendet worden. Es besteht darin, daß ein Bohrmeißel gehoben und gesenkt wird, so daß er mit beträchtlicher Wucht die Schichten trifft, die durchbohrt werden sollen. Diese Systeme sind besonders bei harten Felsformationen anwendbar.

Es ist auch vorgeschlagen worden, Tiefbohrungen mit einem kombinierten Bohrsystem durchzuführen, wobei außer der Drehbewegung des Meißels eine Schwingbewegung mit Frequenzen in der Größenordnung von 60 Hertz benutzt wird. Die Schwingbewegung wird durch den Umlauf von exzentrischen Gewichten erzeugt, die einen Teil des Bohrgestänges bilden. Es ist auch vorgeschlagen worden, ein Stoßbohren mit höheren Frequenzen durchzuführen, jedoch ist die bei diesen Vorschlägen bisher verfügbare Leistung sehr begrenzt gewesen, so daß solche Anlagen verhältnismäßig unwirksam sind.

Aus wirtschaftlichen Gründen haben Tiefbohrungen, die sich mehrere Kilometer in den Boden hinein erstrecken,, notwendigerweise nur einen kleinen Durchmesser. Dabei liegt die Größe des Bohrrohres etwa zwischen 12,5 und 37,5 cm und die übliche Größe zwischen 15 und 25 cm. Diese enge Begrenzung in der Größe der Bohrungen erfordert einen Motor, der für diese spezielle Anwendung besonders ausgebildet ist, wenn angemessene Kräfte aufgewendet und eine angemessene Leistung erzielt werden sollen.

Darüber hinaus wirken sich die Grenzen, die durch den kleinen Durchmesser des Bohrrohres gesetzt werden, um so stärker aus, je größer die Bohrgeschwindigkeit ist. Wenn die Bohrspitze schneller vordringt, dann müssen die Bruchstücke und Bestandteile der Schichten auch schneller entfernt werden, und der Bohrschlamm muß schneller zirkulieren. Als Bohrschlamm wird dabei das Medium bezeichnet, welches die Brocken und Bruchstücke der Schichten wegspült. In das Bohrgestänge muß daher eine Durchlaßleitung eingebaut sein, damit der Bohrschlamm unter einem geeigneten Pumpendruck in genügender Menge zirkulieren kann, so daß die Brocken rasch und wirksam entfernt werden und der Bohrer mit dem Boden in Berührung bleibt und bei seinem weiteren Vor-Tiefbohranlage

Anmelder:

Drilling Research, Inc.,
Houston, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. April 1953

Boyd Asfrby Wise jun., Donald Eugene Cooper

und Robert Lee Thompson, Columbus, Ohio (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

dringen von den losgeschlagenen Bestandteilen nicht gehindert wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, durch Anwendung einer speziellen Antriebsvorrichtung den Meißel einer Rotary-Tiefbohranlage mit großer Energie und doch wirtschaftlich zu betreiben, und bei der die Anforderungen hinsichtlich der Zirkulation des Bohrschlammes voll erfüllt sind.

Erfindungsgemäß besteht bei einer Einrichtung zur Erzeugung stoßender Bewegungen des Meißels bei Rotary-Tiefbohranlagen ein Abschnitt des Bohrgestänges oberhalb des Meißels aus einem magnetostriktiven Schwingungserzeuger. Dieser ist aus zwei mit ihren Enden eng aneinanderliegenden konzentrischen rohrförmigen Teilen gebildet, zwischen denen in einem ringförmigen Raum die zur magnetischen Erregung dienende Wicklung vorgesehen ist, wobei sich mindestens einer der rohrförmigen Teile aus magnetostriktivem Material zusammensetzt. Wenn die Wicklung, die sich über den größten Teil der Länge des Antriebsteiles erstreckt und deren Windungen in Reihe geschaltet sind oder die in Abänderung dessen aus parallel geschalteten Spulen bestehen kann, eingeschaltet wird, dann bewegt das magnetostriktive Antriebseknnent den Bohrmeißel auf die Bodenschicht zu und von ihr weg. Dabei werden Schlagkräfte großer Stärke entwickelt, wenn bei

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der mechanischen Resonanzfrequenz des Schwingungserregers gearbeitet wird": Es kann ohne Schwierigkeit eine elektrische Antriebsenergie von über etwa 100 kW angewendet werden, und in Verbindung mit einer statischen Belastupg, wie sie im allgemeinen bei Drehbohrsystemen benutzt wird, treten Arbeitsdrücke von etwa 220 kg/cm Meißeldurchmesser bis 1100 kg/cm auf.

Die Anordnung hat ferner den wesentlichen Vorteil, daß eine Zirkulation des Bohrschlammes durch das Innere des Meißels ohne Beeinflussung durch die Antriebsvorrichtung ungestört erfolgen kann.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung bestehen die rohrförmigen Teile aus Lamellenblechen, die zu Sektorenpaketen miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind dabei die Lamellen der eng aneinanderliegenden Enden der inneren und äußeren rohrförmigen Teile miteinander verschweißt.

Erfindungsgemäß ist der Schwingungserreger oben und unten mit Zwischenstücken zum Anschluß an das übrige Gestänge bzw. an den Meißel versehen. Der Schwingungserreger und die Zwischenstücke besitzen dabei vorzugsweise eine Länge, die gleich der halben Wellenlänge des Schwingungserregers bei der Reso-Fig. 12 zeigt schematisch zwei in Kaskade angeordnete Erreger mit je einem Antriebselement etwa halber Wellenlänge;

Fig. 13 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Erregers;

Fig. 14 zeigt schematisch die Schaltung der Spulen des Erregers;

Fig. 15 zeigt den Erreger der Fig. 14, wobei die beiden Spulen der Wicklung im Schnitt dargestellt sind;

Fig. 16 bis 19 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Erfmdungsgegenstandes;

Fig. 20 ist eine schematische Schaltung des Stromversorgungsteiles ;

Fig. 21 ist ähnlich wie Fig. 20, wobei jedoch der Transformator weggelassen ist;

Fig. 22 zeigt einen Halbwellenerreger in Kaskade;

Fig. 23 zeigt ein Kraftversorgungssystem für die Speisung eines Erregers nach Fig. 22;

Fig. 24 zeigt Diagramme zur Erklärung der Wirkungsweise der Fig. 22 und 23;

Fig. 25 und 26 sind Schaltbilder von abgeänderten Kraftversorgungssystemen;

Fig. 27 und 28 zeigen Diagramme zur Erklärung

nanzfrequenz oder einem ganzen Vielfachen derselben 25 der Wirkungsweise einer weiteren Ausführungsform;

ist. Wird beispielsweise eine Betriebsfrequenz von etwa 300 Hz gewählt, so muß der Erreger eine Länge von rund 8 m besitzen, was etwa einer halben Wellenlänge einer Längsschwingung bei dieser Frequenz entspricht.

Um das Bohrgestänge gegen die im Schwingungserreger erzeugten Schwingungen abzuschirmen, wird gemäß vorliegender Erfindung zwischen dem Schwingungserreger und dem unteren Ende des Bohrgestänges ein Filter angebracht, das aus einer Anzahl zur Übertragung des Drehmomentes dienender Glieder aus gleichem Material besteht. Diese Glieder besitzen, von der Spitze des Schwingungserregers beginnend, abwechselnd relativ zueinander gesehen,

einen kleineren und einen größeren Materialquer- 4° nach Fig. 35;

Fig. 29 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkung einer Vorerregung für den Erreger;

Fig. 30 bis 32 sind Diagramme zur Erläuterung weiterer Einzelheiten der Erfindung;

Fig. 33 ist eine schaubildliche Ansicht eines Bohrmeißels zur Erzielung von hohen Bohrgeschwindigkeiten ;

Fig. 34 ist ein Längsschnitt durch den Meißel nach Fig. 33;

Fig. 35 zeigt schematisch ein Frequenzsteuersystem für den Erreger;

Fig. 36 und 37 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Betriebes des Frequenzsteuersystems

schnitt. Jedes Glied hat dabei eine Länge, die etwa einem Viertel der Wellenlänge des Erregers bei der Resonanzfrequenz entspricht.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Bohranlage gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 3 durch den unteren Abschnitt des Schwingungserregers mitsamt der Wicklung;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Schwingungserreger der Fig. 2 am Ende der Wicklung;

Fig. 4, 5 und 6 sind schaubildliche Ansichten von Bauteilen, die zusammen das xAntriebselement des Erregers bilden;

Fig. 7 ist ein Schnitt durch einen Teil des oberen Endes des Antriebselementes, durch ein Übergangsstück und einen Teil eines Filters, wobei die Speiseleitungen in dieser Figur ebenso wie in den Fig. 8, 9 und 10 weggelassen sind;

Fig. 8 ist ein Schnitt durch einen Teil des Filters;

Fig. 9 ist ein Schnitt durch einen Teil des Filters, einen Teil einer Bohrmuffe, durch die Gewindeverbindung mit dem Bohrrohr und durch einen Teil des Bohrgestänges, das zur Oberfläche führt;

Fig. 10 zeigt Teile des Bohrgestänges, das zur Oberfläche führt;

Fig. 11 zeigt schematisch einen Erreger \^ron halber Wellenlänge mit einem Antriebselement von weniger als voller Länge;

Fig. 38 zeigt eine weitere Abänderung des Frequenzsteuersystems ;

Fig. 39 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebes der Anlage nach Fig. 38;

Fig. 40 ist ein Schnitt durch eine Übertragungsleitung;

Fig. 41 ist eine schaubildliche Ansicht teilweise im Schnitt der Verbindungsleitung nach Fig. 40;

Fig. 42 ist eine schaubildliche Ansicht teilweise im Schnitt mit eingebauter Isolation durch eine Verbindungsleitung nach Fig. 40 und 41;

Fig. 43 ist eine schaubildliche Ansicht verschiedener Abschnitte einer Leitung nach Fig. 46;

Fig. 44 ist eine schaubildliche Ansicht einer abgeänderten Verbindungsleitung mit Überkreuzverbindungen;

Fig. 45 ist eine schaubildliche Ansicht einer abgeänderten Verbindungsleitung;

Fig. 46 ist ein Schnitt durch eine Leitung nach Fig. 43, und

Fig. 47 ist ein vergrößerter Teilschnitt eines Teiles der Fig. 45.

Wie bereits erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung Anlagen und Geräte zur Ausführung von Tiefbohrungen. In Fig. 1 ist ein Bohrmeißel 10 dargestellt, der mit der unter der Erdoberfläche liegenden Schicht 17 am Grunde des Bohrloches in Berührung steht. Die Schichten bestehen häufig aus verschiedenen Gesteinsarten. Bevor eine ausführliche Beschreibung der besonderen Verfahren, Anlagen und

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Geräte der Erfindung gegeben wird, sollen die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken entwickelt werden. Diese Grundgedanken ergeben sich aus mathematischen Ableitungen, die auf vereinfachten Annahmen beruhen, sowie aus experimentellen Ergebnissen, die bei der Anwendung gesammelt wurden. Das angestrebte Ziel ist die höchste Wirtschaftlichkeit bezüglich der Betriebskosten und auch hinsichtlich der Tiefe der Bohrungen, die in einer gegebenen Zeit erreicht werden können.

Die Erfindung befaßt sich hauptsächlich mit der Art und Weise, in der der Bohrmeißel 10 die tiefliegenden Schichten durchdringt. Die Menge des von der Bodenschicht abgesplitterten Materials, die bei

Belastung, von der Art der angetroffenen Schicht sowie von der Form und Größe des Meißels ab. Wenn die statische Belastung von Null an wächst, dann nimmt der Spitzenwert der Kraft, die von dem Meißel 5 auf das Gestein ausgeübt wird, zuerst etwa proportional mit der aufgebrachten statischen Belastung zu. Der Bruchteil der Periode, während dessen der Meißel mit dem Gestein in Berührung bleibt, ist zuerst annähernd konstant, wobei dieser Wert von der ίο Art des Gesteins und der Größe und Form des Meißels abhängt. Dieser in Prozenten ausgedrückte Bruchteil wird im folgenden als »Kontaktzeit« bezeichnet. Wenn die statische Belastung weiter erhöht wird, dann bleibt die Spitzenkraft etwa gleich. Die einem einzelnen Schlag des Bohrmeißels losgelöst 15 Kontaktzeit jedoch fängt an zuzunehmen, bis eine wird, hängt von der Stärke des Schlages, von der um- hundertprozentige Kontaktzeit erreicht ist. Bei einer gebenden Schicht, von den physikalischen Eigen- statischen Belastung, die gerade genügt, um eine schäften des Schichtmaterials und von der Größe und hundertprozentige Kontaktzeit zu erzeugen, ist der geometrischen Form des Bohrmeißels ab. Durch ver- Spitzenwert der Schwingkraft gleich der statischen einfachte Annahmen über die Beziehung zwischen der 20 Belastung. Die resultierende Kraft während einer Menge des entfernten Materials und den aufgezählten vollen Periode verändert sich daher von einem Mini-Variablen und durch vereinfachte Annahmen über die malwert Null auf einen Maximalwert, der gleich dem Wirkung des Abstandes zwischen aufeinanderfolgen- Zweifachen der statischen Belastung ist. Da die Größe den Schlagen auf die Entfernung des Materials der Spitzenkraft eine wichtige Veränderliche bei der zwischen den aufeinanderfolgenden Berührungsflächen 25 Bestimmung der Bohrgeschwindigkeit ist, ist es wundes Grundes durch den Meißel ist es möglich ge- sehenswert, den Betrieb unter solchen Bedingungen zu wesen, mathematische Beziehungen abzuleiten, durch führen, daß diese Kraft ihren Maximalwert beibehält, welche die Bohrgeschwindigkeit mit der Anzahl der Bei einer Kontaktzeit von etwa 75 °/o ist die Spitzen-Schläge pro Sekunde, der Drehzahl des Meißels, dem kraft groß und erreicht annähernd ihren Maximalwert Spitzenwert der von dem Meißel auf das Gestein aus- 30 in praktischer Hinsicht, der bei einer Kontaktzeit von geübten Kraft, dem Durchmesser des Meißels und der 100 °/o erreicht werden kann. Dieser Wert wächst Anzahl der Schneiden des Meißels verknüpft wird. bei Erhöhung der statischen Belastung nicht, wenn Diese Beziehungen sind durch Bohrversuche im diese Belastung über den für eine hundertprozentige Laboratorium und auch durch Bohrungen draußen im Kontaktzeit erforderlichen Wert gesteigert wird. Es Feld bestätigt worden. Durch diese Beziehungen 35 wurde experimentell festgestellt, daß der Bohrvorwurde festgestellt, daß bei konstanter Bohrgeschwin- gang bei einer starken Erhöhung der statischen Bedigkeit der Spitzenwert der von dem Meißel auf das lastung über die dynamischen Schwingkräfte hinaus Gestein ausgeübten Kraft und die Leistung, die er- im wesentlichen der gleiche ist, der beim gewöhnforderlich ist, um den Meißel 10 gegen das Gestein liehen drehenden Bohren erreicht wird; es ist ledigzu treiben, beide umgekehrt zur Quadratwurzel der 40 lieh eine dynamische Kraftkomponente vorhanden, die Schwingfrequenz sich ändern, wobei die letztere als klein im Vergleich mit der statischen Belastung ist

die Zahl der Schläge des Meißels gegen den Fels pro
Sekunde definiert ist. Gemäß der Erfindung wird die
gleiche Bohrgeschwindigkeit bei höheren Schwingungsfrequenzen mit niedrigerer Leistung erzielt. 45 Zum Beispiel kann mit der halben, bei 80 Hertz erforderlichen Leistung die gleiche Bohrgeschwindigkeit
erhalten werden, wenn mit einer Schwingfrequenz von
320 Hertz gearbeitet wird.

und die Bohrgeschwindigkeit im Vergleich zu derjenigen, die nur mit einer statischen Last allein erreicht wird, vermindert.

Wie bereits erwähnt, wird der Meißel 10 während des Bohrens gedreht. Das verzögernde Drehmoment, welches durch die Berührung des Meißels mit dem Gestein hervorgerufen wird, nimmt, wie die Versuche ergeben haben, rasch ab, wenn die Kontaktzeit von

Ein Verfahren zur Erreichung einer Anzahl von 50 100 % aus abnimmt. Bezüglich der Abnutzung des Schlagen auf das Gestein mit einer hohen Frequenz Meißels ist ein Betrieb mit kürzeren Kontaktzeiten von z. B. 100 bis 1000 Schwingungen pro Sekunde, vorzuziehen. Ein Kompromiß bezüglich der Bohrd. h. mit einer Frequenz, die hoch ist im Vergleich mit geschwindigkeit und der Abnutzung des Meißels liegt den durch mechanische Vorrichtungen erreichbaren zwischen etwa 50 und etwa 75 % Kontaktzeit, wobei Frequenzen, bei denen bewegte Teile zur Erzeugung 55 der günstigste Wert von der Art des Gesteins und der der Bohrkräfte ausreichender Größe verwendet wer- Ausbildung des Meißels abhängt. Für harte Gesteine den, besteht darin, daß eine starre Säule 12 benutzt
wird, die mit Resonanzfrequenz Längsschwingungen
ausführt und an ihrem einen Ende den Meißel trägt.
Der Meißel 10 führt eine sinusförmige Bewegung aus, 60
wenn er das Gestein oder die Schicht 17 nicht berührt. Beim Bohren wird der Meißel in enger Nachbarschaft mit dem Gestein gehalten, welches er durchdringen soll, indem eine statische Belastung aufgebracht wird. Wenn der Meißel die Schicht 17 berührt, 65 deren einzelne Teile dem Fachmann geläufig sind. Die wird seine Bewegung stark vermindert, wobei der Bohranlage enthält ein Bohrgestell 1 mit einem Kabel, Meißel eine Schlagwirkung auf das zu durchdringende welches den Bohrröhrenzug über geeignete Rollen Gestein ausübt. Der Spitzenwert dieser Kraft und trägt, wobei der Zug auf das Kabel durch eine Zugseine Dauer hängen von der Amplitude und der anlage 2 gesteuert wird. Der Bohrröhrenzug wird in Schwingungsfrequenz des Meißels, von der statischen 70 üblicher Weise, z. B. durch einen Drehtisch, gedreht,

sind Kontaktzeiten mehr nach 50 °/o zu zu bevorzugen. Für weichere Gesteine ist ein Betrieb mit einer Kontaktzeit von 75 °/o günstiger.

Es werden nun mehr im einzelnen Anlagen und Geräte gemäß der Erfindung beschrieben sowie die Art und Weise, in der die Geräte den obenerwähnten Anforderungen gerecht werden. In Fig. 1 ist die Anwendung der Erfindung auf eine Bohranlage dargestellt,

der in Fig. 1 schematisch durch Zahnräder 5 angedeutet ist, die über ein Getriebe 6 von einem Motor oder Kraftantrieb 7 betätigt werden. Das Getriebe dreht den Bohrröhrenzug mittels einer geeigneten Antriebsverbindung zwischen dem Zahnrad und dem Bohrröhrenzug. Die Antriebsverbindung enthält praktisch im allgemeinen einen geradflankigen Abschnitt einer Bohrröhre, die auch als »Kelly« bezeichnet wird, und eine entsprechende öffnung in dem Antriebstisch.

Die einzelnen Längen des Bohrgestänges sind miteinander verbunden, um den Hauptabschnitt 21 des Bohrröhrenzuges zu bilden. Eine Bohrmuffe 15 ist an dem untersten Gelenk des Bohrgestänges befestigt.

Das Drehmoment wird von dem Drehtisch oder den Antriebsrädern 5 über das Bohrgestänge 21, die Muffen 15, das Filter 20 und den Erreger 12 auf den Meißel 10 übertragen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Filter, welches sowohl das Drehmoment als auch die statische Belastung überträgt und gleichzeitig, vom oberen Ende des Erregers her gesehen, eine niedrige mechanische Impedanz bei der Betriebsfrequenz hat. Ihrem Aufbau nach sind der Erreger, ίο die schwingende Säule und das Filter kräftig ausgeführt und in der Lage, das Drehmoment, die statische Belastung und die auf den Meißel 10 ausgeübte Schwingbewegung zu übertragen.

Bei einer Wechselstromfrequenz von 300 Hertz be-

Mit dem unteren Ende der Muffe 15 ist der obere Ab- 15 trägt die Länge der schwingenden Säule etwa 8 m, schnitt eines mechanischen Schwingungsfilters 20 d. h. V2 λ.

durch Gewinde verbunden. Die schwingende Säule Gemäß der Erfindung entwickelt die schwingende

einschließlich des Erregers 12 ist an dem unteren Säule mit dem Erreger 12 (von dem verschiedene Ende des Filters 20 befestigt, wobei der Meißel 10 Ausführungsformen weiter unten beschrieben werden) starr mit dem unteren Ende der schwingenden Säule 20 Spitzenkräfte von hohem Wert, die nicht nur von der verbunden ist. Steuerung der statischen Belastung, sondern auch von

dem hohen Leistungsgrad der Erregung der schwingenden Säule bei Resonanzfrequenz herrühren. Die Erreger können gemäß der Erfindung mit einer Leistung in der Größenordnung von 200 kW betrieben werden.

An der Oberfläche befindet sich ferner eine Schlammpumpe 27, die von einem Motor 27m angetrieben wird. Diese Pumpe treibt Bohrflüssigkeit

ben. Von einem Antriebsaggregat 175« wird ein 30 oder Schlamm durch eine Leitung 27 σ nach unten Gleichstromgenerator 168 angetrieben, der eine selbst- durch das Bohrgestänge, wobei der Schlamm dazu

dient, die Splitter und Bruchstücke wegzuspülen und sie durch das Bohrloch an die Oberfläche zu fördern. Wie aus den Fig. 1 und 7 hervorgeht, erstreckt sich

in der Wicklung des Generators 162 und dient dazu, 35 die schwingende Säule von dem Bohrmeißel 10 (in den Kreis, der aus dem Generator 162, der Über- der Gegend des unteren Maßpfeiles für die Länge

¹IiX) nach oben bis zum ersten Abschnitt 20a des Filters in der Gegend des oberen Maßpfeiles. Die schwingende Säule wird durch einen Erreger anspüle 167, die für Gleichstrom einen niedrigen Wider- 40 getrieben, der die magnetostriktiven Elemente 19 stand, jedoch für Wechselstrom einen hohen Wider- und 22 (Fig. 2) zwischen den Enden der Säule

enthält.

In Fig. 2 ist der Meißel 10 an dem unteren Ende der Säule in üblicher Weise befestigt, und zwar mit einem Gewindeansatz 10 α an einem A^erbindungsteil 11, der auch als Zwischenstück bezeichnet wird. Das Zwischenstück 11 ist mit seinem oberen Ende an dem unteren Ende 12 a des magnetostriktiven Erregers 12 festgeschraubt. Durch den Erreger 12, das Zwischen-

mit der Resonanzfrequenz der "schwingenden" Säule 50 stück 11 und den Meißel 10 erstreckt sich ein anzuregen. Die Länge der schwingenden Säule ist zylindrischer Schlammkanal 13. Der obere Endteil durch die Pfeile mit Va λ bezeichnet, d. h. der halben
Wellenlänge bei Resonanzfrequenz.

Die Handhabung des Bohrgestänges und der damit verbundenen Teile erfolgt im wesentlichen in 55 konische Gewindeverbindung starr befestigt. Der üblicher Weise. Das Kabel und das damit verbundene erste Abschnitt 20 α des Filters hat ein Gewicht pro Rollensystem werden z. B. dazu benutzt, das Bohr- Längeneinheit, das wesentlich kleiner ist als das der gestänge in Spannung zu halten. Es sind Bohrmuffen schwingenden Säule und des Erregers und vorzugs-(rohrförmige Stücke mit großer Querschnittsfläche) weise den vierten Teil des Gewichtes des Erregers vorgesehen, um die statische Last an dem Bohrmeißel 60 pro Längeneinheit nicht übersteigt. Der Abschnitt 10 zu erzeugen. Die Größe der statischen Last, die auf 20 α des Filters hat ungefähr die Hälfte der Länge der dem Meißel 10 ruht, hängt natürlich von dem Gewicht des Erregers, dem Gewicht des Filters, dem
Gewicht der Bohrmuffen und irgendeiner weiteren
Gewichtskomponente des Bohrgestänges ab. In den 65
meisten Fällen wird die gewünschte statische Belastung durch das Gewicht des Erregers, des Filters
und die notwendige Anzahl von Bohrmuffen erzeugt.
Das Bohrgestänge wird daher unter Zugspannung ge-

Dem magnetostriktiven Erreger 12 wird elektrische Energie von einem Wechselstromgenerator 162 zugeführt, dessen Feldwicklung 162 α von einer Erregermaschine 8 erregt wird. Diese wird von einer Hilfs · kraftquelle 8 c angetrieben, deren Feldwicklung 8 a unter Zwischenschaltung eines Regelwiderstandes 8 b selbst erregt ist. Der Generator 162 wird von einer Kraftquelle 175., z. B. eine Dieselmaschine, angetrie-

erregte Feldwicklung 168 α aufweist, deren Erregung durch einen Regelwiderstand 168 b gesteuert werden kann. Ein Kondensator 164 blockiert den Gleichstrom

tragungsleitung und dem Erreger besteht, auf den Leistungsfaktor Eins abzustimmen. In Reihe mit dem Gleichstromgenerator 168 befindet sich eine Drosselstand hat, um den Wechselstrom durch die Wicklung des Generators 168 niedrig zu halten. Die Gleichstromkomponente in den Leitungen 37 und 38 (welche eine Vorspannung an dem Erreger erzeugt) und die Wechselstromkomponente fließen über die Leitungen 37 und 38 und geeignete Schleifringe an dem Drehzapfen 3 und von da nach unten über Leitungen in dem Bohrgestänge, um den Erreger zu Schwingungen

12 b (Fig. 7) des magnetostriktiven Erregers 12 ist mittels eines Zwischenstückes 14 an dem unteren Ende des ersten Filterabschnittes 20 α durch eine

schwingenden Säule und hat eine Länge, die etwa ein Viertel der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz der schwingenden Säule beträgt.

Über dem ersten Abschnitt 20 α des Filters (Fig. 8) befindet sich ein zweiter Abschnitt 20 b von stark erhöhtem Gewicht pro Längeneinheit. Das Gewicht pro Längeneinheit des Abschnittes 20 b kann das gleiche sein wie das des Erregers; es ist vorzugsweise vier

halten.

mal so groß wie das vom Abschnitt 20 a. Der Ab-

schnitt 20 b hat die gleiche Länge wie Abschnitt 20 a. Über dem Abschnitt 20 b des Filters (Fig. 8 und 9) befindet sich ein dritter Abschnitt 20c, der denselben Aufbau und die gleichen Eigenschaften wie Abschnitt 20 a hat.

Das obere Ende des dritten Abschnittes 20 c (Fig. 9) ist mit Gewinde an dem unteren Ende der Muffe 15 befestigt, die ein großes Gewicht pro Längeneinheit aufweist, das das gleiche sein kann wie das des Erregers oder des schweren Abschnittes 20 b des Filters. Eine oder mehrere Längen der Muffe können angeordnet sein, um die statische Last am Meißel 10 über das Filter und den Erreger zu erhöhen, wobei das obere Ende der obersten Muffe mit dem untersten Abschnitt 21 α des Bohrgestänges mittels eines Zwischenstückes 39 verbunden ist. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, ist eine große Anzahl von Bohrröhren 21a bis 21 w vorgesehen, die sich nach oben bis zu dem Verbindungspunkt mit dem Kelly an der Oberfläche erstrecken. Die Schlammleitung 72 a führt aus dem Ausblaseschutz 72 heraus.

Wie durch die Unterbrechungen zwischen den oberen und unteren Hälften der Filterabschnitte 20 b (Fig. 8) hervorgeht, kann irgendeine Anzahl von Filterabschnitten benutzt werden. Drei der oben beschriebenen Abschnitte sind in Verbindung mit der Muffe 15 bei den meisten Anwendungen ausreichend. Es wurde auch gefunden, daß die schweren Abschnitte des Filters aus Muffen bestehen können, während die leichteren Abschnitte aus Bohrröhren bestehen können; hierdurch kann ein wirtschaftlicher Aufbau erzielt werden, bei Gewichtsverhältnissen pro Längeneinheit von etwa 4:1. Dieses Verhältnis kann auch nur 2,5:1 betragen, wobei jedoch das höhere Verhältnis vorzuziehen ist. Der erste Abschnitt des Filters über der schwingenden Säule 12 hat eine Impedanz, die mindestens um den Faktor 2,5 kleiner ist als die der Säule. Der zweite Abschnitt des Filters hat eine mechanische Impedanz, die mindestens um den Faktor 2,5 und vorzugsweise um den Faktor 4 größer ist als die des ersten Abschnittes. Die mechanische Impedanz wird definiert als das Produkt der Masse pro Längeneinheit multipliziert mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Längswellen. Das Filter kann auch eine Anzahl von Abschnitten enthalten, die abwechselnd verschieden voneinander sind, so wie die ersten und zweiten Abschnitte sich voneinander unterscheiden.

Bezüglich der Übertragung der statischen Belastung und des Drehmomentes auf den Meißel 10 verhalten sich das Filter 20 und der Erreger 12 wie starre Teile angemessener Stärke.

Der Erreger 12 (Fig. 2 und 3) hat zwischen den zylindrischen Teilen 19 und 22 eine Wicklung 18, die aus den Leitungen 37 und 38 (Fig. 1), wie oben beschrieben, über Leiter 23 und 24 gespeist werden, die aus Fig. 2, 3 und 7 ersichtlich sind. Die Mittel zur Stromzuführung an dem Bohrgestänge entlang nach unten mit Hilfe von Übertragungsleitungen sind in den Fig. 8 bis 10 nicht dargestellt, um diese Zeichnungen zu vereinfachen. Darstellungen in größerem Maßstab, die die Verbindungsleitungen enthalten, werden weiter unten beschrieben.

Durch den Gleich- und Wechselstrom, der über die Leitungen 25 und 26 und die Wicklung 18 fließt, werden die magnetostriktiven Teile 19 und 22 langer und kurzer bei einer Änderung des magnetischen Flusses und versetzen die Säule in Schwingungen. Die schwingende Säule hat selbst eine Länge, die bei dem verwendeten Material ihre tiefste Resonanzfrequenz für Längsschwingungen bei einer Frequenz hat, die für den Antrieb des Bohrmeißels 10 gegenüber dem Gestein am besten geeignet ist, nämlich zwischen 100 und 1000 Hertz. Trotz der Tatsache, daß das obere Ende der schwingenden Säule Va λ starr mit dem unteren Ende des Filterabschnittes 20 α verbunden ist, bietet die mechanische Impedanz des Filters nur geringen Widerstand gegenüber der Längenzu- und -abnähme bei Resonanzfrequenz. Der Erreger 12 als ίο Ganzes hat einen hohen Q-Wert, wobei Q der Betrag der in der schwingenden Säule aufgespeicherten Energie im Verhältnis zur pro Schwingung verlorenen Energie ist. Ein großer Teil (bis zu 60 °/o> in manchen Fällen) der pro Periode verlorenen Energie wird dazu benutzt, den Meißel 10 in das Gestein oder die Schicht 17 zu treiben.

Wenn der Meißel 10 sich gerade von dem Gestein

oder der Oberfläche der Schicht 17 abhebt und die Säule etwa mit Resonanzfrequenz erregt ist, dann

ao wird der Meißel mit Sinusbewegung mit maximalem Ausschlag angetrieben. Wenn der Meißel 10 die Schicht berührt, wird seine Bewegung vermindert und das Q des Systems herabgesetzt. Wenn jedoch der Wert Q vermindert wird durch Berührung mit dem Boden, dann steigt die Antriebskraft des Meißels an.

Indem die Kontaktzeit, wie oben erwähnt, eingestellt wird, können bei einer Umdrehung des Meißels 10 und bei Hochleistungserregung der Wicklung 18 auch hohe Geschwindigkeiten für die Durchdringung des Gesteines erreicht werden.

Im folgenden werden Einzelheiten des Aufbaues beschrieben, durch die es möglich ist, den Erreger mit Leistungen zu betreiben, die eine völlig andere Größenordnung haben im Vergleich zu der bisher üblichen. Die obenerwähnten Bohrgeschwindigkeiten können nur erreicht werden, wenn dem Erreger eine ausreichende Leistung zugeführt wird und wenn der Erreger sie in Hin- und Herbewegung des Meißels 10 umsetzt. Die Anwendung einer Leistung in der Größenordnung von 100 kW am Grunde eines Bohrloches, das 3 bis 5 km tief ist, stellt Probleme, die bis her bei der Anwendung von Erregern nicht auftraten. Die Schwierigkeit wird dadurch vergrößert, daß die Temperaturen am Grunde des Bohrloches sehr hoch sein können, und zwar in der Größenordnung von 140° C. Der hydraulische Druck der immer vorhandenen Flüssigkeit ist ebenfalls sehr hoch. Der Erreger muß daher bei hohen Temperaturen und unter hohem hydraulischem Druck arbeiten können. Sein eigener Temperaturanstieg infolge der Verluste muß unterhalb der zulässigen Werte liegen, und der Erreger muß in der Lage sein, der Abnutzung zu widerstehen; er soll auch eine verhältnismäßig lange Lebensdauer haben und gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung, um den Meißel 10 gegenüber der Schicht 17 hin und her zu bewegen.

Der Erreger nach Fig. 2 bis 6 erfüllt alle diese Bedingungen. Die magnetostriktiven Elemente 19 und 22 haben große Ouerschnittsflächen. Sie schließen zwisehen sich die Erregerwicklung 18 ein. Sie sind starr und kräftig ausgeführt und können die statische Belastung auf den Meißel 10 übertragen. Sie bestehen aus einer Anzahl von Lamellen, die voneinander elektrisch isoliert sind mit Ausnahme ihrer Enden und die zusammen einen Weg niedrigen magnetischen Widerstandes für den von der Wicklung 18 erzeugten magnetischen Fluß bilden. Die Lamellen, die aus Nickel oder auch aus Nickel-Eisen-Legierungen oder Eisen-Kobalt-Legierungen oder anderen Materialien bestehen können, haben magnetostriktive Eigenschaften, und

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sie besitzen auch günstige elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften.

Der magnetostriktive .Erreger der Fig. 2 bis 6 hat die Fähigkeit, der Zug-, und Druckbeanspruchung infolge der Verlängerung und der Verkürzung der magnetostriktiven Teile 19 und 22 zu widerstehen und die Torsionskräfte über die Teile 19 und 22 von dem Bohrgestänge auf den Meißel 10 zu übertragen.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, hat der Erschnittsfläche der Nickelteile 19 und 22 so groß wie möglich gemacht. Wenn der eingeschlossene Winkel der Sektoren 19 a und 22a vergrößert wird, werden auch größere Wirbelströme hervorgerufen. Mit Lamellen von einer Dicke in der Größenordnung von 0,75 mm kann ein Winkel von etwa 20° für jeden der Sektoren 19 a bei Frequenzen bis zu 1000 Hertz verwendet werden. Bei der Sektorkonstruktion nach Fig. 3 können bei sonst gleichen Abmessungen anderer

reger 12 und die schwingende Säule einen gleich- io Erreger mehr Nickelanteile in den Teilen 19 und 22

mäßigen inneren und äußeren Durchmesser über die ganze Länge. Es sind keine Vorsprünge vorhanden. Der Erreger als Ganzes hat glatte innere und äußere Flächen, an denen entlang der Schlamm zu und von der bearbeiteten Bodenstelle fließen kann.

Die bevorzugte Ausführungsform enthält kreisförmige Anordnungen von Lamellen, wobei jede Lamelle sich im allgemeinen annähernd in radialer Richtung erstreckt. Um nicht jede Lamelle keilförmig auszuführen, können die Lamellen zuerst in Gruppen zu rechteckigen Einheiten zusammengesetzt werden. Diese werden dann zu Sektoren verarbeitet. Die inneren Sektoren haben vorzugsweise alle die gleiche Gestalt, wobei einer der Sektoren mit der Klammer 19a bezeichnet ist. Der äußere Sektor ist durch eine Klammer 22a bezeichnet. Die zueinander passenden Sektoren bilden die inneren und die äußeren Teile 19 und 22. Die Lamellen werden vor ihrer Gruppierung behandelt, um an der Oberfläche einen elektrisch isoverwendet werden, da weniger Bindemittel erforderlich ist. Die Zunahme liegt in der Gegend von 2,5%. Die Sektorenkonstruktion ermöglicht auch das Einsetzen von dünnen metallischen Trenngliedern, wenn es erwünscht sein sollte, den Wärmeabfluß von den Teilen 19 und 22 zu verbessern. Wenn diese Einsätze, die aus Kupfer sein können, auch nicht wesentlich sind, so können sie doch etwa 2% des Volumens einnehmen und insgesamt das Nickelvolumen im Vergleich mit einem Erreger streng radialen Aufbaues, der weiter unten beschrieben wird, erhöhen.

Damit die Wicklung 18 zwischen den Teilen 19 und 22 eingeschlossen werden kann, haben die Lamellen des Teils 19 zwischen ihren Enden einen etwas kleineren Außendurchmesser, so daß ein in Fig. 2 bei 19 r angedeuteter Kanal entsteht. Die Windungen der Wicklung 18 werden in den Kanal 19 c über eine Lage von geeignetem (nicht dargestelltem) Isoliermaterial, wie Glasfasergewebe, gewickelt, das mit einer Silikon-

lierenden Überzug zu erzeugen. Der Überzug muß 30 gummiverbindung imprägniert oder überzogen ist

fest und haftend sein. Ein geeigneter Überzug ist Nickeloxyd, das dadurch erzeugt wird, daß die Lamellen vor dem Zusammensetzen etwa 90 Minuten lang auf hoher Temperatur von etwa 800° C gehalten Die Außenseite der Spule ist mit einem ähnlichen Isoliermaterial bedeckt, das in den Fig. 2 und 3 weggelassen ist.

Der äußere zylindrische Teil 22 paßt dicht auf den

werden. Die Lamellen werden dann zu Gruppen mit 35 inneren zylindrischen Teil 19. Es ist wichtig, daß beide

einem starken und starren Bindemittel vereinigt, so daß jede Gruppe in sich starr ist. Die Gruppen werden dann nach der Bearbeitung und Oberflächenbehandlung zu festen rohrförmigen Teilen 19 und 22 miteinander verbunden. Der Klebstoff oder das Bindemittel kann ein bei hohen Temperaturen beständiger Polyester- oder Epoxydklebstoff sein. Zur Zeit werden Bindemittel der Nitril-Kautschuk-Phenoltype bevorzugt.

Bei der Herstellung der Sektoren 19 α und 22 a müssen einige Vorsichtsmaßregeln beachtet werden. Wenn z. B. die Lamellen in Rechteckform zusammengestellt und zur Formgebung bearbeitet werden, besteht die Neigung, daß die Ränder einer Lamelle die benachbarte Lamelle berühren. Es wurde gefunden, daß die Trennung zwischen den Lamellen durch Ätzung der Sektoren, z. B. in verdünnter Säure, mit einer nachfolgenden Waschung erreicht werden kann.

Wenn Nickeloxyd nicht als Isoliermaterial benutzt werden kann, wie z.B. bei Erregern aus Eisen-Kobalt-Legierungen, dann ist es zweckmäßig, ein dünnes Isoliermaterial, z. B. gewobenes Glas, das in einer Stärke von etwa 0,025 mm handelsüblich ist, zwischen den Lamellen zu verwenden. Das Bindemittel selbst kann, wenn es auch elektrisch isoliert, nicht zuverlässig als elektrisches Isoliermittel benutzt werden, da es die Neigung hat, diskontinuierliche Überzüge zu bilden.

Indem man die verhältnismäßig dünnen Lamellen voneinander elektrisch isoliert, wird die Erwärmung der Teile 19 und 22 durch Wirbelströme herabgesetzt, die in den Teilen 19 und 22 durch den schnell wechselnden Fluß hoher Dichte erzeugt werden.

Um bei gegebener Eingangsleistung eine möglichst zylindrischen Teile 19 und 22 etwas größere Länge haben als die Wicklung 18 und daß sie in axialer Richtung über die Enden sich ein beträchtliches Stück hinaus erstrecken, so daß der magnetische Widerstand zwischen ihnen auf einen vernachlässigbaren kleinen Wert verringert wird. Da sich beide Teile ein beträchtliches Stück über die Enden der Wicklung 18 hinaus erstrecken, folgt der von der Wicklung erzeugte Fluß einem Weg niedrigen Widerstandes zwisehen den Teilen 19 und 22 in der Nähe der Enden der Wicklung 18 im Abstand von diesen Enden. Der magnetische Widerstand ist aus zwei Gründen in der Nähe der Enden der Wicklung 18 niedrig. Erstens ist der Luftspalt zwischen den Teilen 19 und 22 sehr klein, weil die Teile 19 und 22 in der Gegend der Wicklungsenden dicht aufeinanderpassen. Zweitens sind die Flächen der eng benachbarten inneren und äußeren Teile im Bereich des Luftspaltes groß. Die eng aneinanderliegenden zylindrischen Oberflächen der Teile 19 und 22 haben daher einen so geringen magnetischen Widerstand, daß nahezu der ganze magnetische Fluß, der von der Wicklung 18 erzeugt ist, den Luftspalt in der Nähe der Enden der Wicklung 18 überbrückt.

Gemäß der Erfindung werden die Teile 19 und 22 so lang gemacht, daß in der Nähe ihrer Enden die Flußdichte sehr niedrig ist. Der niedrige magnetische Widerstand in der Nähe der Enden der Wicklung 18 mit den sich ergebenden niedrigen Flußdichten an den Enden der Teile 19 und 22 eröffnet eine weitere Möglichkeit gemäß der Erfindung. Die Enden der Lamellen des Teils 19 können, z. B. durch Schweißen, innig verbunden werden, so daß sie lamellierte oder nicht lamellierte Enden ergeben, ohne daß in den massiven Enden übermäßige Temperaturen durch den wechseln-

große Ausgangsleistung zu erzielen, wird die Quer- 70 den Fluß der Wicklung 18 erzeugt werden. Indem die

Enden der Lamellen der Teile 19 und 22 miteinander verschweißt werden und indem beide bei 19 d und 19 β (und bei 19/ und 19 g) mit den Zwischenstücken 12 a und 12 b verschweißt werden, ergibt sich eine kräftige Verbindung, die eine Beschädigung der Lamellen auch dann vermeidet, wenn Bohrkräfte von großer Stärke auftreten.

Bei dem Verschweißen der Enden der Lamellen ist es wichtig, daß das Nickeloxyd in dem Endbereich festigt werden. Das Vergußmittel kann ein ungesättigtes Polyesterkunstharz sein, welches Triallylcyanurat enthält (American Cyanamid's P.D.L. 7-669). Das Triallylcyanurat (TAC) ist ein hochtemperaturbeständiges Monomer. Andere geeignete Vergußmassen sind z. B. Epoxydkunstharze und andere Kunstharze mit 100% festen Stoffen. Bei der Wärmebehandlung entweichen keine Lösungsmittel, die Schrumpfung ist gering, und die Temperaturbestän-

entfernt wird. Die Schweißstellen werden sonst porös io digkeit erstreckt sich bis etwa 200° C.

und nicht zufriedenstellend. Das Oxyd kann durch Sandblasen oder auf chemischem Wege durch Eintauchen in ein elektrolytisches Bad entfernt werden. Bei der Herstellung der Schweißstellen müssen auch einige weitere Vorsichtsmaßregeln beachtet werden. Um eine Beschädigung des Bindemittels bei der Schweißtemperatur zu verhindern, werden die Teile 19 und 22 in ein Kühlmittel, z. B. Wasser, bis auf eine Entfernung von 2¹It cm etwa von ihren Enden Die einlagige Wicklung 18 wird einer mehrlagigen Wicklung vorgezogen. Sie ermöglicht höhere Flußdichten durch größere Volumen des magnetostriktiven Materials, da sie ein Mindestvolumen pro Längeneinheit des Erregers einnimmt. Die einlagige Wicklung wird auch vorgezogen, weil sie sowohl mit dem inneren Teil 19 als auch mit dem äußeren Teil 22 in gutem Wärmeaustausch steht. Die glatten inneren und äußeren zylindrischen Flächen setzen denFlüssigkeits-

getaucht. Die Schweißung wird dann ohne Beschädi- 20 druckabfall beim Umlauf des Schlammes durch und

gung des Bindemittels in den von den Schweißstellen entfernten Teilen durchgeführt. In der Gegend der Schweißstelle ist zweckmäßig kein Bindemittel vorhanden, da die Schweißung den notwendigen mechaum den Erreger herum auf ein Mindestmaß herab, und es wird auch eine Änderung in der Ouerschnittsfläche vermieden, die, wenn sie vorhanden wäre, die Längsschwingungen des Erregers auf die Bohrflüssig-

nischenHalt liefertund ein Bindemittel dieSchweißung 25 keit oder den Schlamm übertragen und dadurch eine

Dämpfung des Erregers bewirken würde.

Bei Verwendung der oben beschriebenen Konstruktion für den Erreger und bei Zuführung einer Leistung von etwa 100 kW oder mehr zu der Wicklung 18 er

verunreinigen würde. Dieser Bereich kann später mit einem Bindemittel durch Vakuumtränkung gefüllt werden, wobei das Bindemittel für den mechanischen Halt nicht erforderlich ist. Beanspruchungen, die sich aus der Schweißung ergeben, können ohne Anlassen 30 zeugen die Teile 19 und 22 Flußdichten, welche rasch durch Hämmern oder Klopfen jeder Schicht des abge- von Sättigungswerten auf Nullwerte wechseln. Bei lagerten Schweißmaterials beseitigt werden. Dies ist wichtig, da die Anlaßtemperaturen, die erforderlich wären, in einem Bereich lagern, in dem die Bindemittel nachteiligen Veränderungen ausgesetzt sind.

Der Erreger als Ganzes ist vorzugsweise mit einem Gehäuse 28 versehen, das aus Metall, z. B. aus rostfreiem Stahl, besteht, wobei eine Isolationsschicht

eine

zwischen den Enden der Lamellen und dem Gehäuse angeordnet ist, um Nachgiebigkeit zu schaffen und um als Puffer zu wirken, der eine Beschädigung der Lamellen verhindert oder begrenzt, falls Stöße auftreten, welche die äußere Hülle einbeulen.

In manchen Fällen ist es wünschenswert, eine innere Hülle 29 vorzusehen, die aus einem nachgiebigen abriebfesten Material besteht. Sie kann ähnlich der äußeren Hülle 28 mit ihrer nachgiebigen Schicht sein, oder sie kann auch ein Material der Nitril-Kautschuk-Phenol-Gruppe enthalten.

Im Bereich des Erregers 12 sind die Leiter 23 und 24 angeordnet. Der Leiter 24 (Fig. 2 und 7) endet am oberen Ende der Wicklung 18 und ist dort mit einer Öse 25 befestigt. Der andere Leiter 23 läuft durch einen Schlitz 22 c (Fig. 6), der in den Lamellen eines Sektors 22 & des äußeren Zylinders 22 vorgesehen ist, bis zum Verbindungspunkt an der Öse 26 am gegenüberliegenden Ende der Wicklung 18. Zusätzliche Ösen können, wie erwähnt, vorgesehen sein, um eine Anzahl von Spulen der Wicklung 18 parallel zu schalten. Der Schlitz 22 c und ein ähnlicher Schlitz für den anderen Leiter 24 werden bei der endgültigen Zusammensetzung mit elektrischem Isoliermaterial gefüllt.

Während die Teile 19 und 22 sich strecken und verkürzen, um den Meißel 10 zu betätigen, brauchen keine besonderen Vorkehrungen getroffen zu werden, um die Änderungen der axialen Länge der Spule beim Betrieb zu berücksichtigen. Nachdem die Spule 18 in den Spalt oder Einschnitt 19 c gewickelt worden ist, von

derartig hohen Flußdichten würden Wärmeverluste, die bei kleineren Einheiten tragbar sind, unzulässig hohe Temperaturanstiege bei der großen Einheit ergeben. Die Erreger gemäß der Erfindung weisen jedoch eine Begrenzung des Temperaturanstieges- auf, und zwar nicht nur weil eine gute Wärmeableitung gegeben ist, sondern weil auch Schranken für die Wärmeübertragung fehlen. Obwohl die Wicklung 18 den Erreger teilt, bildet sie doch keine Schranke für den Wärmeaustausch. Die Wärme fließt von dem Teil 19 nach dem Kanal 13 ab und von dem Teil 22 nach außen. Bei früheren Anordnungen bildete der Temperaturanstieg eine Leistungsgrenze für das magnetostriktive Material, das nur unterhalb des Grenzwertes benutzt werden konnte. Die gemäß der Erfindung der Wicklung 18 zugeführte Leistung erzeugt jedoch Flußdichten, die in der Nähe des Maximalwertes liegen, so daß die magnetostriktive Wirkung erhöht wird. Der magnetostriktive Erreger kann daher bezüglich seiner elektromechanischen Umsetzungswirkung in der Nähe des theoretischen Maximums betrieben werden. Ein Erreger, der eine halbe Wellenlänge lang ist, kann bei einem bevorzugten Frequenzbereich von 300 bis 400 Hertz mit einer Leistung von bis zu 200 kW betrieben werden.

Mehrfacherreger

Die Erreger können gemäß der Erfindung auch in Verbund- oder Kaskadenanordnung verwendet werden. In Fig. 12 sind zwei Erreger 58 und 59 dargestellt, die je eine halbe Wellenlänge lang und durch eine Kupplung 60 starr miteinander verbunden sind. Indem die beiden Erreger mit 180° Phasenverschiebung erregt werden, schwingt die Anordnung bei Resonanzfrequenz mit maximaler Verlagerung des Meißels 10.

Wenn das Verbindungsglied 60 der Fig. 12 eine Muffe von halber Wellenlänge ist, dann werden die

kann sie durch ein geeignetes Vergußmittel starr be- 70 beiden Erreger 58 und 59 in Phase erregt, und die

Schwinganordnung von einundeinhalbfacher Wellenlänge erzeugt eine maximale Verlagerung an dem Meißel 10.

Geänderter Aufbau des Erregers

Wie erwähnt, können Erreger anderer Bauart gemäß der Erfindung verwendet werden. Wenn konische Nickelstreifen geeigneter Breite verfügbar sind, kann der Erreger nach Fig. 13 an Stelle der Ausführung bunden werden können, ist in Fig. 14 dargestellt. Einzelheiten werden weiter unten beschrieben.

Bei den verschiedenen Formen von Erregern, die bisher beschrieben worden sind, besteht mindestens ein Teil aus Lamellen von magnetostriktivem Material, während die Lamellen des anderen Teils, die den Rückweg für den Fluß bilden, entweder aus magnetostriktivem Material oder aus anderem magnetischem Material bestehen können. Wegen der räum-

nach Fig. 2 bis 7 verwendet werden. In Fig. 13 ist der io liehen Beschränkungen des Erregers in dem Bohrloch

Schlammkanal 13 offen und glatt durchlässig. Im Gegensatz zu der Sektorkonstruktion sind die Lamellen 19 α alle von gleicher Form und erstrecken sich radial zum Erreger. Die Wicklung 18 liegt in einer Vertiefung, wie dies oben erwähnt wurde. Der Kreis für den Fluß wird von den äußeren Lamellen 22 d gebildet, die alle konisch und radial gestellt sind. Zwischen dem äußeren Gehäuse 28 und der kreisförmigen Anordnung von Lamellen befindet sich eine Schicht wird die Fläche desjenigen Teils, der für den Kraftlinienschluß aus Transformatoreisen od. dgl. besteht, kleiner gemacht als derjenige des magnetostriktiven Materials wegen der hohen Permeabilität des Transformatoreisens bei hohen Flußdichten. Die Querschnittsflächen der Teile 19 und 22 (Fig. 2 und 3) werden daher umgekehrt bemessen wie ihre maximalen Arbeitsflußdichten. Der vorstehende Satz besagt, daß dem magnetostriktiven Material eine maxi-

28 a der Vergußmasse, die als Puffer wirkt, um eine 20 male magnetomotorische Kraft aufgedrückt wird, die

Beschädigung des Erregers beim Bohren und bei der Handhabung möglichst zu vermeiden. Die Verbindungen zur Wicklung 18 sind in ähnlicher Weise ausgebildet wie in Fig. 2 bis 7. Ein Spalt ist in dem inneren Teil 19 zur Aufnahme der Leiter 23 und 24 vorgesehen. In dem Bereich, wo die Enden der Wicklung 18 mit den Leitern verbunden sind, ist der Spalt vergrößert, so daß Taschen entstehen, in denen sich die Anschlußösen befinden. Die Öse 23 c (Fig. 13) ist an dem Leiter 23 befestigt und mit einem Ende der Wicklung 18 in passender Weise, z. B. durch Hartlöten, verbunden. Die Leiteranordnung der Fig. 13 kann auch bei der Ausführung nach Fig. 2 bis 7 verwendet werden. Sie ist vorzuziehen, da die Wicklung 18 und die Leiter 23 und 24 auf dem Teil 19 zusammengebaut werden. Dies ist ein Vorteil bezüglich der Montage. Die Ausführung ist auch deswegen so günstig, weil die Spalten zur Aufnahme der Leiter in dem Teil 19 mit der größeren radialen Abmessung vorgesehen sind.

Aus Fig. 15 geht hervor (in verkleinertem Maßstab), daß die Kerne 83 α und 83 b von Lamellen gebildet werden, welche ziemlich weit über die Enden des zentralen Schlitzes oder der Öffnung 84 hinausragen. Der magnetische Pfad zwischen den Schenkeln oder Kernen 83 α und 83 b ist durch die gestrichelten Linien 85 und 86 angedeutet und liegt innerhalb der Enden des Erregers 12. Da in der Nähe der Enden der Schenkel 83 a und 83 & ein Weg niedrigen magneeine maximale Flußdichte in dem Material erzeugt. Die maximale Flußdichte des Rückschlusses ist so bemessen, daß sie in der Gegend des Knickes der Magnetisierungskurve für das Material liegt, wobei dies Material ein Siliziumtransformatoreisen sein kann, das z. B. unter der Handelsbezeichnung »Trancor XXX« erhältlich ist.

Weitere Erregertheorie

Da die Ausdehnung und Verkürzung der magnetostriktiven Elemente durch die Änderungen der Flußdichte erzielt werden, kann angenommen werden, daß diese Elemente sich zwischen den äußersten Grenzen jedesmal dann bewegen, wenn der erregende Wechselstrom sich vom Maximal- auf den Minimalwert ändert. Wenn der Kernfluß nur von der Anwesenheit eines Wechselstromes in einer Erregerwicklung abhängt, so finden solche Änderungen zweimal pro Periode des Wechselstromes statt, und die \^ibrationsfrequenz ist doppelt so hoch wie die des Wechselstromes. Vorgänge dieser Art sind in Fig. 16 dargestellt, in der der Wechselstrom durch eine Sinuslinie 151 dargestellt ist. Die Amplitude der Bewegung des Kernes ist durch die Sinuslinie 152 von doppelter Frequenz wie die der Linie 151 wiedergegeben.

Die vorstehende Wirkungsweise ändert sich, wenn ein einseitig gerichteter magnetischer Fluß in dem magnetostriktiven Element aufrechterhalten wird, sei es durch Einschluß eines permanenten Magneten in

45

tischen Widerstandes gebildet wird, durchsetzt der 50 dem Kern oder durch Anwendung einer Gleichstrom-

Fluß die äußersten Enden der Lamellen nicht. Sie können daher massiv zusammengeschweißt werden, wie dies bei 87 und 88 angedeutet ist, ohne daß eine Wirbelstromerhitzung von nennenswertem Ausmaß

55 komponente der Felderregung, die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde. Fig. 17 zeigt ein Diagramm 153 der Bewegungsfrequenz mit einer Wechselstromerregung nach der Kurve 151. Wenn der Wechselstrom in einer Richtung zunimmt, die den Gleichfluß unterstützt, dann nimmt dieser auf ein Maximum zu und kehrt auf seinen ursprünglichen oder Mittelwert nach der gestrichelten Linie 154 zurück, wenn der Fluß des Erregerstromes wieder Null ist. Wenn der

auftritt. In Fig. 15 sind die Gewindeteile am Ende (wie bei 12 α und 12 b der Fig. 2 und 7) nicht dargestellt.

Da die Zusammenziehung und Ausdehnung der Nickellamellen infolge ihrer magnetostriktiven Eigenschaften von der Flußdichte abhängen, sind die Spulen 6o Strom umkehrt und die magnetomotorische Kraft den 18a und 18& vorzugsweise in Serie geschaltet, d.h., so daß sie in dem Kern einen gesamten magnetischen Fluß mit dem gleichen Augenblickswert der Polarität ergeben. In der Schaltung nach Fig. 14 zeigen die Pfeile an den Enden der Spulen 18 a und 18 & die Richtung des Stromflusses während einer Halbperiode. Der Fluß, der durch die Pfeile in Fig. 14 und 15 dargestellt ist, hat die gleiche Richtung in dem lamellierten Kern 83. Die Art und Weise, in der die Enden der

Fluß in dem magnetostriktiven Element verringert, dann wird der Fluß auf einen Minimalwert reduziert und kehrt auf seinen. Anfangswert am Ende der negativen Halbperiode zurück.

Obwohl die Erreger ohne gleichgerichtete Vorerregung betrieben werden können, so ist doch der Betrieb mit Vorerregung günstiger. Der Hauptvorteil ist ein besserer Wirkungsgrad, d. h. eine größere Umwandlung der elektrischen Energie in die gewünschte

Spulen 18 α und 18 b mit den Leitungen 23 und 24 ver- 70 mechanische Energie. Wie aus Fig. 19 hervorgeht,

20

wird der Vorerregungsstrom so bemessen, daß in dem

Erreger die maximale Kraft entwickelt wird.

Bei einer gegebenen Länge der magnetostriktiven Anordnung ergibt sich bei festgelegten Betriebsbedingungen eine bestimmte Eigenresonanzfrequenz. Die Vorteile des Betriebes bei der Resonanzfrequenz sind in dem Diagramm 155 der Fig. 18 dargestellt, in dem die dynamische Beanspruchung als Ordinate und die Frequenz als Abszisse aufgetragen ist. Bei der Resonanzfrequenz f_r wird die maximale dynamische Beanspruchung entwickelt, und ihre Größe nimmt ziemlich rasch ab, wenn die Betriebsfrequenz oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz liegt.

In Fig. 20 ist die Wicklung 18 mit den Leitern 23 und 24 verbunden. Der Teil des Gerätes auf der linken Seite der gestrichelten Linie 161 befindet sich außerhalb des Bohrloches und enthält eine Wechselstromquelle 162, welche die Primärwicklung eines Transformators 163 speist. Die Sekundärwicklung liefert über einen Kondensator 164 Wechselstrom an die Wicklung 18. Der Wicklung 18 wird ferner Gleichstrom von einer geeigneten Stromquelle 168, z. B. einem Gleichstromgenerator, zugeführt. Dabei fließt der Gleichstrom über einen Kreis, der die Induktivität oder Drosselspule 167 enthält. Der Widerstand der Spule 167 muß einige Male größer sein als der Widerstand der Wicklung 18, und zwar in dem Frequenzbereich, in dem der Wechselstromgenerator betrieben wird. Durch den Zweig mit der Spule 167 und der Gleichspannungsquelle 168 fließt daher nur ein kleiner Betrag des Wechselstromes. Der Kondensator 164 ist ein praktisch unendlich großer Widerstand für den Gleichstrom, so daß dieser nicht über den Transformatorkreis fließen kann. Die Gleich- und Wechselstromkreise sind daher voneinander unabhängig und liefern die erforderliche Leistung an die Wicklung 18 über das einfache Leiterpaar 23 und 24. Der Transformator 163 kann auch durch geeignete Auswahl der Betriebscharakteristik der Wechselstromquelle 162 nach Fig. 21 fortgelassen werden.

Wenn zwei Erreger direkt miteinander verbunden sind, dann ist aus Fig. 12 erinnerlich, daß eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den benachbarten Halbwellenabschnitten besteht. Zwei in Kaskade geschaltete Erreger von je einer halben Wellenlänge sind in Fig. 22 mit den Anschlußleitungen 23 und 24 dargestellt. In Fig. 23 ist eine Anlage zum Betrieb der Erreger gezeigt, die nur zwei Leiter 23 und 24 benötigt. Diese Speiseleitungen sind an ein Stromversorgungssystem der in Fig. 20 dargestellten Art angeschlossen. Der AVechselstromgenerator 162 wird nach Fig. 23 von einem Antriebsaggregat 175 angetrieben und der Gleichstromgenerator 168 durch einen Antrieb 175 a.

Im Bereich der Erreger 58 und 59 und unter Inanspruchnahme nur eines sehr kleinen Raumes in den Erregergehäusen befindet sich eine Anordnung, die bewirkt, daß der Gleichstrom durch die Wicklung 18 α des Erregers 59 in der einen Richtung und durch die Wicklung 18 & des Erregers 59 in der entgegengesetzten Richtung fließt. Wenn man annimmt, daß der Leiter 24 positive Polarität hat, dann fließt ein Gleichstrom von dem Gleichstromgenerator 168 über die Induktivität oder Drosselspule 167 zum Leiter 24, der nach unten durch das Bohrgestänge führt. In der Nähe der Erreger wird der Strom durch eine Indukdivität 176 in einer Abzweigleitung der Verbindungsstelle 177 zwischen den Wicklungen 18 a und 18 & zugeführt. Der Gleichstrom teilt sich dann und fließt in der einen Richtung durch

sprechend dem Pfeil 178 und in der entgegengesetzten Richtung durch die Wicklung 18 b entsprechend dem Pfeil 179. Die Rückleitung von der Wicklung 18 a erfolgt über einen Widerstand 180, der an den Leiter 23 angeschlossen ist, und von der Wicklung 18 b über den Leiter 24 α und eine Induktivität 181. Blockkondensatoren 182 und 183 bilden eine Verbindung niedrigen Widerstandes für Wechselstrom und die Induktivitäten 176 und 181 einen hohen Widerstand für diesen Strom.

Indem man die Schaltelemente so ausführt, daß sie einen möglichst kleinen Raum benötigen, z. B. durch halbringförmige Platten der Kondensatoren und ähnlich ausgebildete Drosseln und Widerstände, lassen sie sich in der Nähe der Erreger leicht unterbringen.

Da der Gleichstrom durch die Wicklungen 18 a und 18 & entgegengesetzte Richtung hat, sind die beiden Erreger entgegengesetzt vorgespannt. In Fig. 24 verläuft die Richtung des Vormagnetisierungsstromes für Wicklung 18 a in der Richtung des Pfeiles 186, wobei der Pfeil die Größe andeutet, während der Pfeil 187 in der entgegengesetzten Richtung, von der Nullinie 188 ausgehend, den Vormagnetisierungsstrom für die Wicklung 18 b andeutet.

Da der Wechselstrom durch die Wicklungen 18 α und 18 b in der gleichen Richtung, und zwar über den Leiter 24, Kondensator 182, Leiter 24 α, die Wicklungen 18 & und 18 a, den Kondensator 183 und den Leiter 23 fließt, erzeugt er einen magnetischen Fluß, der in der einen Wicklung die gleiche Richtung wie der Vormagnetisierungsstrom und in der anderen Wicklung gleichzeitig die entgegengesetzte Richtung hat. In Fig. 24 ist durch die Kurve 190 eine Periode des Wechselstromes dargestellt, bei der während der ersten Halbperiode der Fluß bis auf ein Maximum 190 a zunimmt und dann auf ein Minimum 190 & abnimmt. Während der gleichen Augenblickszeit erzeugt der durch die Linie 191 unterhalb der Nullinie angedeutete Wechselstrom einen Fluß, der demjenigen des Vormagnetisierungsstromes 187 entgegengesetzt ist. Der Fluß hat daher bei 190 a sein Maximum und sein Minimum bei 191a, und wenn der Minimalwert bei 190 b erreicht ist, hat er sein Maximum bei 191 b.

Die von den Erregern 58 und 59 entwickelten Kräfte sind durch die Linie 190 und die gestrichelte Linie 192 angedeutet, wobei die Linie 192 gegenüber der Linie 190 um 180° in der Phase verschoben ist. Die Erreger werden also hier mit einer Phasenverschiebung von

35

die Wicklung 18 a 180° betrieben. Die von den Erregern 58 und 59 erzeugten Kräfte haben die richtige Phasenlage, um die Wirkung gegenseitig zu steigern und eine stärkere Kraft für die Bewegung des Meißels 10 zu entwickeln, als sie von den Erregern einzeln erzeugt würde, wobei die Kraft auch größer ist als die Summe der Kräfte, die von jedem Erreger einzeln erzeugt werden. Die Verwendung von zwei Erregern 58 und 59 in Kaskade ergibt einen höheren Spannungspegel in der schwingenden Säule. Jeder Erreger arbeitet günstiger wegen des erhöhten Pegels (der größere inverse magnetostriktive Wirkungen erzeugt), und jeder Erreger liefert daher eine größere Leistung und auch einen besseren Wirkungsgrad, als dies bei einem Einzelbetrieb der Erreger möglich wäre.

Bei manchen Anwendungsformen der Erfindung kann auch eine Anlage mit drei Leitungen in dem Bohrgestänge verwendet werden. Die Anordnung kann z. B. nach Fig. 25 ausgeführt sein. Die Wicklungen a und 18 & sind über Leiter 23 und 24 in Reihe geschaltet und mit der Sekundärwicklung eines Transent- 70 formators 163 verbunden. Diese Wicklung ist in der

709 880/123

50

55

60

65

Mitte angezapft und die Gleichstromquelle 162 liegt in der Leitung, die von der Mitteanzapfung über einen Leiter 24 & mit dem Verbindungspunkt der Wicklungen 18 α und 18 b verbunden ist. Der Wechselstrom fließt daher während einer Halbperiode in der gleichen Richtung durch die Wicklungen 18 α und 18 b, während der Vormagnetisierungsstrom in der einen Wicklung 18 α in der einen Richtung und in der Wicklung 185 in der entgegengesetzten Richtung fließt. Die Pfeile 184 zeigen für eine gegebene Halbperiode die Richtung des Wechselstromes an, während die Pfeile 178 und 179 die Richtung des Gleichstromes wiedergeben. Die graphische Darstellung der Fig. 30 erläutert die Wirkung der Fig. 25.

Der Vorteil der Ausführung nach Fig. 25 liegt in der Vermeidung von zusätzlichen Schaltelementen innerhalb des Bohrloches.

Bei der Anordnung nach Fig. 26 fließt der Wechselstrom von dem Transformator 163 über Leiter 23 und 24 und über die Erregerwicklungen 18 α und 18 b in Reihe. Der Vormagnetisierungsstrom wird von einem Gleichrichter 194 geliefert, der über einen Widerstand 195 und einen Leiter 198 im Nebenschluß zur Wicklung 18 α liegt. Ein Gleichrichter 196 in einem ähnlichen, aber entgegengesetzt gepolten Kreis liefert einen Vormagnetisierungsstrom über einen Widerstand 197 und einen Leiter 198 für die Wicklung 18 b, der entgegengesetzte Richtung wie der Gleichstrom in der Wicklung 18 α hat. Hierdurch wird die richtige Phasenlage des Flusses in den Erregerwicklungen hervorgerufen. In Fig. 30 sind diese Verhältnisse graphisch dargestellt.

Wenn der Vormagnetisierungsstrom durch beide Wicklungen 18 α und 18 b in der gleichen Richtung fließt, dann muß der Wechselstrom bei 180° Phasenverschiebung durch die Wicklungen in entgegengesetzter Richtung fließen. Dieser Betriebszustand kann durch Umkehrung der Zuleitungen zu einer, aber nicht zu beiden Wicklungen 18 α und 18 b erzielt werden. Das obere Ende der Wicklung 18 b kann z. B. von dem gemeinsamen Leiter 24 b nach Fig. 31 abgetrennt und statt dessen mit dem Leiter 24 verbunden werden, und das untere Ende der gleichen Wicklung kann von dem Leiter 24 abgetrennt und statt dessen mit dem gemeinsamen Leiter 24 & verbunden werden. Die Kurven 205 und 206 der Leitungen 27 und 28 zeigen die Flußänderung in den Erregerelementen für entsprechende Halbperioden des Wechselstromes. Da der Gleichstrom in beiden Wicklungen 18 α und 18 b die gleiche Richtung hat, liegen die gestrichelten Linien auf der gleichen Seite der Nullinie. Wenn jedoch eine Halbperiode des Wechselstromes die gleiche Richtung wie der Vormagnetisierungsstrom in dem einen Erreger hat (Fig. 27), dann hat er die entgegengesetzte Richtung in dem anderen Erreger 59 (Fig. 28). Es besteht daher eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den beiden.

Bei den verschiedenen Stromversorgungssystemen sind die in Reihe mit der Gleichstromquelle liegenden Schaltelemente so bemessen, daß der Vormagnetisierungsstrom gewünschter Größe entsteht. Der günstigste Wert kann, wie im Zusammenhang mit Fig. 19 erläutert wurde, bestimmt werden, und dieser Wert kann durch direkte Messung der in dem Erreger entwickelten Kräfte bestimmt werden. Wenn die Wechsel-Stromkomponente konstant gehalten wird und der Vormagnetisierungsstrom geändert wird, dann kann durch einen Zugmesser 32 nach Fig. 30 die in Fig. 29 durch die Linie 210 dargestellte Kraft gemessen werden. Der günstigste Wert I₁ für den Vormagnetisierungsstrom ergibt sich in dem Bereich des Knickes der Kurve. Wenn der Wechselstrom verdoppelt wird, dann hat der günstigste Vormagnetisierungsstrom einen etwas höheren Wert, wie dies aus dem Knick der Kurve 211 bei I₂ hervorgeht.

Weitere Erregertheorien

Es ist erinnerlich, daß bei der Berührung des Meißels 10, der an der schwingenden Säule befestigt ist, mit der Bodenschicht 17 das Ausmaß der Bewegung des Meißels während eines Abschnitts der Schwingungsperiode stark vermindert wird. Aus diesem und auch aus anderen Gründen nimmt die Resonanzfrequenz der schwingenden Säule zu, wenn die statische Belastung wächst, und zwar um einen Betrag, der auch von den Eigenschaften der Schicht abhängt, auf die der Meißel trifft. Beim Betrieb ist es notwendig, die Frequenz des Wechselstromes zu erhöhen, um eine Erregung der Säule bei oder nahe bei der Resonanzfrequenz zu erreichen. Es ist daher ein Frequenzregler vorgesehen, der in seiner einfachsten Ausführung nach Fig. 1 aus üblichen Einrichtungen zur Änderung der Geschwindigkeit des Kraftantriebs 175 bestehen kann. Dieser treibt einen Wechselstromgenerator 162, der seinerseits den Wechselstrom der Wicklung 18 des Erregers 12 zuführt. Die Geschwindigkeit des Kraftantriebs 175 wird so eingestellt, daß die durch den Erreger 12 maximalen Kräfte an dem Meißel 10 erzielt werden, indem die schwingende Säule im wesentlichen in Resonanz gehalten wird.

Die Phasenverschiebung zwischen der Kraft am Meißel 10 oder der Beanspruchung in der Mitte des Erregers 12 und dem Wechselstrom, der dem Erreger zugeführt wird, wird benutzt, um die gewünschte Einstellung zu erzielen. Der Prozentsatz der Kontaktzeit des Meißels in Berührung mit der Schicht 17 kann dadurch gesteuert werden, daß entweder die dem Erreger zugeführte Leistung oder die statische Belastung eingestellt wird. Der Zugmesser 32 kann auch an der schwingenden Säule in der Nähe des Meißels angebracht werden, so daß die Änderung der von dem Meißel 10 auf die Schicht 17 ausgeübten Schwingkräfte in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird. Aus dieser Messung kann die Kontaktzeit und die Freizeit ermittelt werden, wobei unter Freizeit der Abschnitt der Periode verstanden wird, während der die Kraft Null ist und die Kontaktzeit der Teil der Periode ist, während der die Kraft vorhanden ist. Der Zugmesser 32 kann an dem Meißel in der Nähe der Schicht 17 angebracht werden, um eine Maximalleistung bei Resonanz anzuzeigen, oder der Zugmesser kann auch in der Mitte der schwingenden Säule angeordnet werden, wo sich ein Teilknotenpunkt der Schwingung und ein Gegenpunkt der Zugbelastung befindet. Bei mechanischer Resonanz besteht eine Phasenverschiebung von 90° zwischen dem treibenden Wechselstrom und der Zugbeanspruchung in der Mitte der Säule. Diese Phasenverschiebung weicht rasch von 90°, und zwar in entgegengesetzten Richtungen (gegen 0 und gegen 180°) ab, wenn die Frequenz nach einer der beiden Seiten der Resonanzfrequenz sich ändert. Diese Art der Änderung eignet sich sehr gut für eine selbsttätige Steuerung.

Die Ausdrücke Knotenpunkt und Teilknotenpunkt, die hier wahlweise gebraucht werden, sollen einen Bereich definieren, in dem die Amplitude der Verschiebungsbewegung ein Minimum ist, und ein Gegenpunkt soll einen Bereich definieren, in dem die Amplitude der Verschiebungsbewegung ein Maximum ist. Fig. 30 zeigt für den Fall eines Erregers 12 von halber Wellen-

länge (V2 λ) ein Diagramm 30 der Verschiebungsbewegung. An den beiden Enden der schwingenden Anordnung ist die Verschiebung ein Maximum, wenn der Meißel nicht durch Berührung mit der Schicht belastet ist. In der Mitte der Anordnung ist die Verschiebungsbewegung am kleinsten. Andererseits wird die größte Kraft in der Mitte der Anordnung entwickelt, wo die Verschiebung am kleinsten ist. Die gestrichelte Linie 31 stellt die Größe der Kraft über

als die aufgebrachte statische Last (in anderen Worten, daß die dynamische Kraft von Spitze zu Spitze mindestens etwa doppelt so groß wie die statische Last ist), die Böhrgeschwindigkeit praktisch unabhängig von dem Wert der statischen Last ist. Andererseits, wenn die Spitze der dynamischen Kraft wesentlich kleiner als die statische Last ist, dann hängt die Bohrgeschwindigkeit nur von der aufgebrachten statischen Last ab und ist praktisch unabhängig von dem

eine volle Wellenlänge dar. Ein Zugmesser 32 kann 10 Wert der dynamischen Kraft. Für Kontaktzeiten von in einem Knotenpunkt in der Mitte der Anordnung über 100% ist die Bohrgeschwindigkeit, wie oben er- oder in der Nähe des Meißelendes des schwingenden wähnt, sogar etwas geringer, als wenn die dynamische Säule angeordnet sein, wobei diese durch Berührung Kraft nicht aufgebracht wird. Die in Fig. 32 beschriemit der Bodenschicht belastet ist, um die Frequenz bene Betriebsweise wird daher derjenigen nach Fig. 31 der Stromversorgung zu steuern, damit die Anordnung 15 vorgezogen. Die Vorteile des Bohrens mit Schwin während des Bohrens auf Resonanzfrequenz gehalten gungserregung werden zum großen Teil nicht auswird. Eine ausführliche Beschreibung des Steuer- genutzt, wenn die Betriebsart nach Fig. 31 verwendet systems wird weiter unten gegeben. wird.

Die Wirkungsweise der Erregeranordnung kann Die Drehgeschwindigkeit des Meißels muß ange-

auch graphisch in anderer Weise dargestellt werden. 20 messen sein, um die hohe Bohrgeschwindigkeit, die Aus Fig. 31 geht hervor, daß bei einer statischen Be- beim Schwingungsbohren erreichbar ist, zu erhalten, lastung des Meißels 10, die größer ist als der Spitzen- Wenn die Drehgeschwindigkeit erhöht wird, nimmt wert der von dem Meißel auf das Gestein ausgeübten auch der Abstand zwischen den Schlägen an dem Kraft, die Linie 34 die Änderung der Gesamtkraft Umfang des Meißels zu. Dies ergibt eine Verbessedarstellt, die von dem Meißel 10 auf das Gestein aus- 25 rung der Schnittwirkung pro Schlag, da ein beträcht-

geübt wird. Dabei ist auf der Ordinate die Kraft und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen. Wenn der Erreger 12 eine Kraft erzeugt, die in der gleichen Richtung wie die statische Kraft liegt, dann steigt die Ge-

licher Abschnitt des dazwischenliegenden Materials bei den aufeinanderfolgenden Schlagen abgesplittert wird, vorausgesetzt, daß die Kraft jedes Schlages groß genug ist. Wenn jedoch der Abstandswinkel so

samtkraft am Meißel auf einen Maximalwert 34 a und 30 groß wird, daß er einen beträchtlichen Anteil des nimmt auf einen Minimalwert bei 34 b ab, der über Winkels zwischen den aufeinanderfolgenden Schnitten der Kraft Null liegt, die durch, die Nullinie 35 angedeutet ist. Die Kraft am Meißel ändert sich jedoch
von einem unteren Grenzwert 34 b bis zu einem oberen
Grenzwert 34 α. Diese Betriebsart wird als »Kontaktzeit über 100 °/o« bezeichnet. Die Änderung zwischen
den beiden Grenzwerten wird die dynamische Kraft

des Meißels ausmacht, dann können keine weiteren Vorteile mehr durch Erhöhung der Drehgeschwindigkeit erreicht werden. Es wurde theoretisch ermittelt und auch durch Versuche bestätigt, daß die Bohrgeschwindigkeit etwa linear mit der Drehgeschwindigkeit zunimmt und dann von einer hohen Drehgeschwin-

von Spitze zu Spitze genannt. Wenn der Schwingungs- digkeit ab etwa gleichbleibt. Die günstigste Drehpegel an Stärke zunimmt, indem z. B. der Erreger- geschwindigkeit hängt von der Große und der Ausstrom in dem Erreger 12 gesteigert wird, dann nimmt 40 führung des Meißels ab sowie von der Spitzenkraft auch der Wert der dynamischen Kraft von Spitze zu der Schwingungsfrequenz und der Art des Gesteins. Spitze zu. Wenn der untere Grenzwert der Kraft von Ganz allgemein sind Drehgeschwindigkeiten von Spitze zu Spitze gerade die Linie 35 berührt, dann er- rund 100 Umdrehungen pro Minute erforderlich, um gibt sich eine lOO°/oige Kontaktzeit des Meißels mit die besten Ergebnisse mit Rollmeißeln oder Stern-Bezug auf die Schicht. Bei einer weiteren Steige- 45 meißeln zu erhalten.

rung der dynamischen Kraft ändert sich jedoch die Viele der üblichen Arten von Gesteinsmeißeln, so-

Form der Kurve 34 sehr stark. Das Diagramm 36 der wohl Schleppmeißel als auch Rollmeißel, können mit

Fig. 32 zeigt vergleichsweise einen Zustand, bei dem Vorteil bei dem Schwingungsbohren der vorliegenden

die gleiche statische Kraft wie in Fig. 31 vorhanden Erfindung verwendet werden. Durch Erhöhung der

ist, wobei jedoch eine wesentlich größere dynamische 50 Schwingungsfrequenz können bei vergleichsweise

Kraft von dem Erreger 12 erzeugt wird. Diese wird schwächeren Kräften Meißel benutzt werden, die für

so weit gesteigert, daß die Kontaktzeit weniger als 100% beträgt und daß eine beträchtliche Freizeit vorhanden ist. In einem solchen Fall zeigt sich, daß die dynamische Kraft von Spitze zu Spitze stark zugenommen hat, und zwar von einem Minimalwert bei a bis zu einem Maximalwert bei 36 b.

Die Bohrgeschwindigkeit hängt in erster Linie von dem Spitzenwert der Gesamtkraft, die von dem Meißel

das schnelle Bohren geeignet, aber im Aufbau schwächer sind als Meißel, die bei Bohrgeräten mit mechanisch erzeugten Schwingungen niedriger Frequenz verwendet werden. Im allgemeinen ergeben Meißel, mit denen höhere Bohrgeschwindigkeiten beim üblichen drehenden Bohren erhalten werden, auch mehr als entsprechend höhere Geschwindigkeiten bei der Verwendung zum Schwingungsbohren. Meißel,

auf das Gestein ausgeübt wird, ab, und zwar für Kon- 60 die eine kleine Anzahl von Schneiden geringer Breite

taktzeiten von etwa 100% bis zu weniger als 100%. haben und die kleinere Winkel an den Schneiden

Solange die dynamische Kraft auf einem bestimmten aufweisen, bohren schneller, sind aber auch mehr der

Spitzenwert gehalten wird, ist die Bohrgeschwindig- Beschädigung und Abnutzung ausgesetzt. Die Ab-

keit praktisch unabhängig von der Kontaktzeit für nutzung nimmt bei solchen Schneiden beim Schwin-

Kontaktzeiten von 100% und weniger und bei ge- 6g gungsbohren in dem angegebenen Frequenzbereich

nügend hoher Drehgeschwindigkeit des Meißels (bei weniger schnell zu als beim üblichen drehenden

niedrigeren Drehgeschwindigkeiten kann eine kleine Bohren.

Verbesserung durch Betrieb mit niedrigeren Kontakt- Die richtige Auswahl eines Meißels für das Schwin-

zeiten erhalten werden). Dies zeigt, daß, solange die gungsbohren aus den handelsüblichen Meißeln führt

Spitze der dynamischen Kraft gleich oder größer ist 70 notwendigerweise zu einem Kompromiß zwischen der

gewünschten höheren Bohrgeschwindigkeit und der Fähigkeit, einer Beschädigung infolge der auftretenden Kräfte standzuhalten. Übliche Rollmeißel haben zufriedenstellende Ergebnisse beim Schwingungsbohren mit vergleichsweise kleinen Kräften ergeben. Bei größeren Kräften jedoch sind geeignete Lagerflächen wie vorbelastete Kugel- oder Rollenlager erforderlich.

Ein typischer Meißel, der hohe Bohrgeschwindiggangsklemmen eines Phasendetektors 251 verbunden ist. Ein Stromsignal, das an einem niedrigen Widerstand 252 in der Zuführungsleitung 24 abgenommen wird, wird vorzugsweise über einen Blockkondensator 253 hoher Kapazität zwei weiteren Eingangsklemmen des Phasendetektors 251 zugeführt. Der Kondensator 253 ist in den Fällen erforderlich, in denen wie bei Fig. 35 eine Gleichstromkomponente dem Erreger von dem Gleichstromgenerator 168 zugeführt wird, der

keiten beim Sclnvingungsbohren gemäß der Erfindung io von dem Antriebsaggregat 175 a angetrieben wird und liefert, ist in den Fig. 33 und 34 dargestellt. Der über eine Induktivität 167 mit den Leitungen 23 und

10 &

Meißel 10' ist mit dünnen Schneiden 10 b, IU ö versehen, die kleine Winkel an den Schneidkanten haben. Eine zylindrische Öffnung 13 α durch die Mittelachse des Meißels 10' bildet eine Fortsetzung des Schlammkanals des Bohrgestänges und enthält Ausgangsdüsen 13 b, IZb, von denen je eine in der Nähe jeder Schneide liegt. Durch diese Düsen fließt der Schlamm mit hoher Geschwindigkeit, um die losgelösten Bestandteile aus der Nachbarschaft der Schneiden 10 b, 10 & zu entfernen. Eine der Düsen 10 b ist in der Zeichnung sichtbar, und die andere ist gegenüber der anderen Schneide in ähnlicher Weise angeordnet. Der Meißel 10' kann an dem unteren Ende der schwin- 24 verbunden ist. Dieser Gleichstrom wird zusätzlich zu der Wechselstromkomponente des Stromversorgungssystems zugeführt, welches einen Wechselstromgenerator 162, ein Antriebsaggregat 175 und einen Kondensator 164 zum Anschluß der Leitungen 23, 24 enthält.

Der Phasendetektor 251 besteht zweckmäßig aus einem Gerät mit Elektronenröhren und liefert in seinen Ausgangskreis 259 eine Gleichspannung, die etwa proportional der Abweichung von der 90°- Phasenbeziehung zwischen dem von dem Meßgerät 32 gelieferten Signal und dem an dem Widerstand 252 abgenommenen Signal ist (dies letztere wird durch

genden Säule 12 mittels einer Schraubenverbindung 25 den Kondensator 253 in der Phase nicht geändert). Die 10 c befestigt sein. Ausgangsspannung hat eine bestimmte Polarität,

Gemäß der Erfindung können Bohrgeschwindigkeiten von 66 m pro Stunde mit Meißeln erreicht werden, die einen Durchmesser von 22 cm haben, wobei der Erreger einen Durchmesser von etwa 20 cm aufweist und mit einem Wechselstrom von 200 kW bei 300 Hz erregt wird.

Frequenzsteuerung

35

Damit der Betrieb im wesentlichen bei der günstigsten oder Resonanzfrequenz durchgeführt werden kann, trotzdem diese Resonanzfrequenz sich während des Bohrens ändert, ist eine Frequenzregelungsanordnung vorgesehen, die auf die Ausgangsleistung des Erregers 12 so anspricht, daß die Frequenz des Wechselstromes gemäß der veränderlichen Resonanzfrequenz des Erregers eingestellt wird. Es können verschiedene Veränderliche ausgewählt werden, deren Größe sich bei einer Abweichung des Erregers von der Resonanzfrequenz ändert, wie z. B. der Ausgang eines mechanischen Spannungs- oder Zugmessers. Eine geeignete Frequenzregelanordnung benutzt eine Regelung der Frequenz des Wechselstromgenerators wenn der Phasenwinkel größer als 90° ist, und eine entgegengesetzte Polarität, wenn der Phasenwinkel kleiner als 90° ist. Diese Ausgangsspannung wird den Eingangsklemmen eines Steuerverstärkers 254 zugeführt, der einen Ausgang so großer Amplitude aufweist, daß er den Motor 255 betätigen kann. Die Richtung, in der der Motor 255 umläuft, hängt von der Polarität der aufgedrückten Spannung ab, die von dem Steuerverstärker 254 abgenommen wird. Sie kann positiv oder negativ je nach der Polarität des Ausgangs des Phasendetektors 251 sein.

Wenn die Phasenbeziehung zwischen dem Signal des Meßgerätes 32 und dem Stromsignal des Widerstandes 252 90° beträgt, dann ist die Ausgangsspannung des Phasendetektors 251 gleich Null, so daß der Motor 255 von dem Steuerverstärker 254 keine Spannung erhält und stillsteht. Wenn der Phasenwinkel abnimmt, indem sich z. B. die Phase am Ausgang des Meßgerätes 32 ändert, dann liefert der Phasendetektor 251 eine Ausgangsspannung bestimmter Polarität, die nach der \^erstärkung mit dem Steuerverstärker 254 dem Motor 255 zugeführt wird und einen Umlauf des Motors in einer solchen Richtung

entweder von Hand oder automatisch in Abhängigkeit 50 verursacht, daß durch eine geeignete Übersetzung, von der Phasenverschiebung zwischen dem Wechsel- die durch die gestrichelte Linie 257 angedeutet ist, ein

strom, der dem Erreger zugeführt wird und der mechanischen Erregerspannung in der Nähe des Meißels oder vorzugsweise im Bereich des Knotenpunktes, wo die Wellenform der mechanischen Spannungsbeanspruchung bessere Sinusform aufweist. Es wurde festgestellt, daß bei Resonanz eine Phasenverschiebung von etwa 90° zwischen dem Wechselstrom und der Spannungsbeanspruchung des Erregers Steuergerät 258 eingestellt wird, welches die Geschwindigkeit des Antriebsaggregats 175 in einer solchen Richtung und um einen solchen Betrag ändert, daß die 90°-Beziehung wiederhergestellt wird. Eine Phasenverschiebung an dem Meßgerät in entgegengesetzter Richtung kehrt die Polarität der Ausgangsspannung an dem Phasendetektor 251 um und damit auch die Drehrichtung des Motors 255, so daß wieder

besteht. Wenn der Winkel der Phasenverschiebung 60 die 90°-Beziehung hergestellt wird.

von 90° abweicht, dann muß die Frequenz des Wechselstromgenerators in einer solchen Richtung geändert werden, daß die 90°-Beziehung wiederhergestellt wird.

Fig. 35 zeigt schematisch eine Anlage zur Ausführung einer solchen Steuerung. Das Meßgerät 32 kann entweder am Meißel 10 oder an dem Knotenpunkt, wie dargestellt, angeordnet sein. Die Ausgangsspannung des Meßgerätes 32 wird einem Ver

stärker 250 zugeführt, dessen Ausgang mit den Aus- 70 Speisespannung.

Bei der Übertragung des mechanischen Beanspruchungssignals von dem Erreger zum Ausgang des langen Bohrgestänges kann eine beträchtliche Dämpfung und Phasenverschiebung infolge der Eigenschäften der benutzten Übertragungsleitung auftreten. Die Kraftübertragungsleitung ist unter Umständen für die Übertragung des unverzerrten Beanspruchungssignals nicht geeignet, da das Beanspruchungssignal die gleiche Frequenz hat wie die sehr viel größere

Um eine solche Verzerrung des Beanspruchungssignals zu vermeiden und um auch Phasenverschiebungen in der Übertragungsleitung zu unterdrücken, die zwischen dem niedrigen Widerstand 252 und dem Erreger 12 auftreten können, kann eine Anordnung, die den Widerstand 252, den Verstärker 250 und den Phasendetektor 251 sowie einen (nicht dargestellten) Hochfrequenzträgerstromsender enthält, in einem Behälter angeordnet sein, der in dem Bohrgestänge dicht oberhalb des mechanischen Filters angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird dann benutzt, um den Trägerstrom des Senders zu modulieren. Das modulierte Trägersignal, welches von dem Trägerstromsender abgenommen wird, wird nach oben an der Kraftübertragungsleitung entlang gesendet und nach dem Passieren eines Filters demoduliert, so daß ein Gleichstromsignal entsteht, welches proportional der Ausgangsspannung des Phasendetektors 251 ist und dessen Polarität sich in der gleichen Weise ändert wie die Ausgangsspannung dieses Detektors. Diese Spannung, die dem Eingang des Steuerverstärkers 254 zugeführt wird, steuert die Geschwindigkeit und Drehrichtung des Motors 255, der seinerseits die Geschwindigkeit des Wechselstromgenerators beeinflußt und daher die Frequenz zur Auf- rechterhaltung der 90°-Phasenbeziehung zwischen dem Strom und dem Beanspruchungssignal regelt.

Das Kontrollgerät 258 kann natürlich auch von Hand, z. B. durch ein Rad 259, eingestellt werden, und zwar auf Grund einer Anzeige eines Phasenmeßgerätes 260, welches die Abweichung von 90° anzeigt. Im allgemeinen werden ein Meßgerät 260 sowie ein Handsteuergerät auch im Fall einer vollselbsttätigen Anordnung vorgesehen.

Eine Steueranlage dieser Art hat sich in Versuchen als günstig erwiesen. Das Diagramm 261 der Fig. 36 zeigt die Veränderung des Phasenwinkels zwischen dem Meßgerät an dem Meißel 10 und dem Wechselstrom, der der Erregerwicklung 18 zugeführt wird. Die Linie 262 zeigt die Beanspruchung an dem Meißel. Wenn die Frequenz zunimmt, dann nimmt die Phasenverschiebung von etwa 140° ab und durchläuft den Wert von 90°, wenn die Beanspruchung am Knotenpunkt den Maximalwert erreicht. Der Phasenwinkel von etwa 100 bis 40° nimmt sehr rasch ab, während danach die Abnahme langsamer vor sich geht. Die Maximalbeanspruchung liegt bei einem Phasenwinkel von 90° innerhalb der Genauigkeitsgrenzen der Messungen.

Die Diagramme 263 und 264 der Fig. 37 entsprechen denjenigen der Fig. 36 mit der Abweichung, daß die Linie 263 den Phasenwinkel zwischen dem Wechselstrom an der Wicklung 18 und dem Ausgang des Meßgerätes 32 darstellt, das am Knotenpunkt oder einem Teilknotenpunkt wie in Fig. 35 angeordnet ist. Die Winkel haben ein Minuszeichen, da die Beanspruchungen an den Teilknotenpunkten 180° phasenverschoben gegenüber den Beanspruchungen am Meißel 10 sind. Der Bereich der größten Beanspruchungsspannungen liegt, wie aus der Linie 264 hervorgeht, in der Gegend von 90°.

Die Steilheit der Änderung des Phasenwinkels nach Fig. 36 und 37 ist von dem Wert Q des Erregers abhängig. Es kann nachgewiesen werden, daß Q gleich dem Produkt aus der halben Resonanzfrequenz und der Phasenänderungsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Resonanzfrequenz ist. Je höher der Wert Q ist, um so steiler ist die Neigung der Kurven 261 und 263 in der Gegend von 90°. Wenn die Bandbreite bei der Resonanzfrequenz vermindert wird und der Wert Q erhöht wird, dann nimmt die Empfindlichkeit der Steuerung zu, und das Steuersystem der Fig. 35 bewirkt, daß der Erreger auf seiner Resonanzfrequenz festgehalten wird. Bei einer Abnahme des Wertes Q wird die Empfindlichkeit der Regelung vermindert, aber in diesem Fall braucht die Betriebsfrequenz nicht in so engen Grenzen gesteuert zu werden wie bei dem höheren Q-Wert, und zwar wegen der vergrößerten Bandbreite. Die selbsttätige Steueranlage arbeitet daher in einem weiten Bereich von Q-Werten in zufriedenstellender Weise.

Ferner wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Ohmsche Komponente des Erregerwiderstandes ein Maximum bei einer Frequenz ist, die von der Resonanzfrequenz der schwingenden Säule nicht weit entfernt ist. Auf Grund dieser Tatsache und der bekannten Beziehung der Elektrizitätslehre kann auch eine andere Regelanordnung, wie die in Fig. 38 dargestellte, benutzt werden. Diese zweite Form der Regelanordnung macht es unnötig, irgendwelche Signale von einem am Grunde des Bohrloches befindlichen Element abzuleiten. Die Anordnung arbeitet so, daß maximale Leistung dem Erreger zugeführt wird, wenn er mit im wesentlichen konstantem Strom gespeist wird. Da die Ausgangsleistung durch das Produkt aus dem Widerstand des Kreises und dem Quadrat des Stromes bestimmt wird, wird eine hohe Ausgangsleistung des Erregers dadurch aufrechterhalten, daß die Frequenz in Abhängigkeit von einer Änderung in der Widerstandskomponente der Erregerimpedanz eingestellt wird. Die Steuerwirkung hat eine solche Richtung, daß die Frequenz erhöht oder erniedrigt wird, wie dies notwendig ist, um die Ohmsche Komponente der Erregerimpedanz etwa auf ihrem Maximalwert zu halten.

In der einfachsten Form und durch Konstanthaltung des Stromes mittels geeigneter Einrichtungen, z. B. durch Handeinstellung der Generatorerregung oder durch irgendeine an sich bekannte selbsttätige Steuerung zur Konstanthaltung des Stromes, die z. B. auf den Erregerkreis einwirkt, wird die Wechselstromfrequenz dadurch geändert, daß der Regler mit dem Handrad 259 (Fig. 35) eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt derart, daß an einem Wattmeter 500, welches die dem Erreger über die Leitungen 23 und 24 zugeführte Leistung anzeigt, ein Maximalausschlag erhalten wird. An der Spindel des Wattmeters 500 ist ein Kontaktarm 501 zwischen einem mechanischen Anschlag 502 und einem elektrischen Kontakt

503 beweglich befestigt. Der Anschlag und der elektrische Kontakt 503 sind auf einem leichten Flügel

504 befestigt, der gegenüber der Spindel drehbar und gelenkig angebracht ist, die den Zeiger sowie den Kontaktarm 501 trägt. Wenn der Kontaktarm 501 im Uhrzeigersinne bei zunehmender Leistung gedreht wird, bewegt sich der Kontakt 501 α gegen den Kontakt 503. Der Arm 501 bewegt den Flügel 504 im Uhrzeigersinne und hält den Stromkreis über die Kontakte 501 α und 503 geschlossen. Während der Zeiten, bei denen die Leistung des Wechselstromerzeugers 162 abnimmt, öffnet der Kontaktarm 501 seinen Stromkreis und kommt dann mit dem Anschlag 502 in Berührung, um den Flügel 504 entgegen dem Uhrzeigersinne zu drehen. Der Kontaktarm 501 kann auch, wenn es gewünscht wird, als Zeiger des Wattmeters 500 dienen.

Es wird nun erläutert, in welcher Weise die relative Bewegung zwischen dem Kontaktarm 501 und dem Kontaktträger 504 automatisch den Regler 258 einstellt, um eine maximale Leistung in den Leitun-

709 880/123

zwischen der Leistung des Erregers 12 und der Frequenz.

Die Kurve 521, die in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist, wobei f₀ der Frequenz entspricht, bei 5 der die maximale Leistung erzielt wird, stellt die Frequenzänderungen dar, welche von der Steueranordnung erzeugt werden, wenn die Frequenz des Wechselstromerzeugers auf maximale Leistungsabgabe eingestellt wird. Es sei angenommen, daß die Frequenz f_s

getrieben werden, dann verstellt der Motor 255 den Regler 258 erst in einer solchen Richtung, daß die Geschwindigkeit des Antriebsaggregates 175 zunimmt, und dann so, daß sie abnimmt. Das Ausmaß der Einstellung ist klein und nicht ausreichend, um mehr als eine kleine Frequenzänderung des Wechselstromerzeugers 162 zu bewirken. Die Frequenzänderung ist jedoch genügend groß, um an dem Wattmeter 500

gen 23 und 24 aufrechtzuerhalten. Der Anker des
Motors 255, welcher die Einstellung des Reglers 258
hervorruft, wird von irgendeiner geeigneten Gleichspannungsquelle 508 über Schleifringe 509 und 510
und die Kommutatorkont'aktsegmente 511 und 512 erregt. Der Motor 255 mit seiner Feldwicklung 255 σ,
der von einer geeigneten Spannungsquelle gespeist
wird, läuft mit niedriger Geschwindigkeit in einer
Richtung um. Er dreht sich mit niedriger Geschwindigkeit, weil in dem Motorkreis ein die Geschwindig- io ungefähr 7V2°/o unterhalb der Frequenz/₀ für maxikeit herabsetzender Widerstand 513 vorhanden ist. male Leistung liegt. Die Kurve 521 zeigt den Betrieb Wenn die Lage der Segmente 511 und 512 umgekehrt mit einem Widerstand 513, dessen Wert so gewählt wird, ändert sich natürlich auch die Drehrichtung des ist, daß die Motorgeschwindigkeit verdoppelt wird, Motors 255. Wenn die Segmente 511 und 512 mit wenn der Widerstand aus dem Motorkreis herausverhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit durch i₅ genommen wird.

einen Motor 514 über ein Untersetzungsgetriebe an- Aus der Kurve 521 geht hervor, daß etwa sechs

Betätigungsperioden erforderlich sind, um den Wechselstromerzeuger 162 auf maximale Leistung einzustellen. Es sei darauf hingewiesen, daß der so Motor 255 bei der Einstellung der Frequenz während der Abschnitte 521 a, 521 b usw. die Frequenz stärker erhöht, als sie während der umgekehrten Drehrichtung des Motors abnimmt. Diese Abnahme ist durch die Abschnitte 521' und 521" usw. dargestellt. Wenn die

ablesen zu können, ob eine Vergrößerung der Leistung 25 Frequenz zu hoch ist, wird sie durch die Einrichtung durch die Frequenzänderung hervorgerufen wird oder verringert. Die Kurve würde ein Spiegelbild der Linie nicht oder ob die Leistung abnimmt. 521 auf der rechten Seite der gestrichelten Linie bei

Es sei angenommen, daß der Motor 255 in einer f₀ sein.

solchen Richtung umläuft, daß die Frequenz des Der Kontakt 503 und der Anschlag 502 können auf

Wechselstromerzeugers 162 zunimmt und daß die 30 dem Flügel 504 bezüglich ihres Abstandes einstell-Leistung, die dem Erreger über die Leitungen 23 und bar angeordnet sein. Normalerweise würde eine solche 24 zugeführt wird, wächst. Ein Stromkreis wird Einstellung nur vorgenommen, wenn die Anordnung daher auf einer Seite der Spannungsquelle 515 über zuerst in Betrieb genommen wird, um die für eine eine Spule 516 mit einem Relaiskontakt 517 ge- stabile Regelung der speziellen Anlage erforderliche schlossen und über die Kontakte 501 α und 503 mit 35 Empfindlichkeit auszuwählen. Die Kurve 521 soll nur der anderen Seite der Spannungsquelle 515 verbun- ein Beispiel für den Betrieb der Anordnung sein, den. Der Relaiskontakt 517 schließt sich, so daß der denn wenn die Kontaktstellungen verändert werden, Widerstand 513 aus dem Steuerkreis durch Kurz- können die Frequenzveränderungen in zunehmender Schluß ausgeschaltet wird. Durch die Kurzschließung und abnehmender Richtung auch von dem dardes Widerstandes 513 wird die Geschwindigkeit des ₄₀ gestellten Verlauf beträchtlich abweichen. Die Zahl Motors 255 erhöht. Wenn die zunehmende Frequenz der Betätigungsperioden, die erforderlich ist, eine Erhöhung der Leistung hervorruft, läuft der
Motor 255 schneller in der Richtung, in der die
Frequenz des Wechselstromerzeugers 162 erhöht wird.
Sobald die Lage der Kommutatorkontaktsegmente 511 45
und 512 umgekehrt wird, läuft der Motor 255 in
der entgegengesetzten Richtung. Die sich ergebende In Verbindung mit Fig. 2 ist erinnerlich, daß die

Frequenzabnahme in dem Wechselstromerzeuger 162 verhältnismäßig weite Leitung 13 durch den mittleren verringert die Leistung in den Leitungen 23 und 24. Teil des Erregers für den Bohrschlamm als ein Kenn- und das Wattmeter 500 spricht sofort an, um den 50 zeichen der Erfindung angegeben wurde. Es wurde Kontaktarm 501 so zu bewegen, daß der Kreis der auch darauf hingewiesen, daß ein ungehinderter Relaisspule 516 geöffnet wird. Der Widerstand 513 Flüssigkeitsdurchtritt über die ganze Länge des Bohrwird hierdurch in den Motorkreis eingeschaltet, um röhrenzuges möglich ist. Dieser Aufbau wird weiter den Motor langsamer laufenzulassen und eine nied- unten beschrieben und stellt eine bevorzugte Ausrigere Geschwindigkeit bei der Herabsetzung der ₅₅ führung dar. Wenn jedoch genügend Raum in dem Frequenz einzuschalten, als sie bei der Erhöhung der Bohrröhrenzug, den Bohrmuffen und dem Filter für Frequenz benutzt wurde. den Durchfluß des Schlammes zur Verfügung steht,

Die Anordnung ist so eingestellt, daß sie eine dann kann auch eine Leiteranordnung in diesem maximale Ausgangsleistung erzeugt. Die Leistung Durchlaß angeordnet werden. Eine solche Anordnung wird durch Frequenzerhöhung vergrößert, und der 60 wurde praktisch erprobt und ist in den Fig. 40 und 42 Flügel 504 wird in Uhrzeigerrichtung durch den
Kontakt 501 α bewegt; er wird jedoch in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinne erst bewegt, nachdem der Kreis geöffnet ist und der Kontakt 501 den
Anschlag 502 berührt.

Die Kurven 520 und 521 der Fig. 39, in denen die
Frequenz als Abszisse und die Leistung sowie die
Betätigungsperioden als Ordinaten eingetragen sind,
sollen die Wirkungsweise der Steueranordnung er-

Gleichgewicht zu erreichen, kann in manchen Fällen niedriger und in anderen Fällen auch größer sein als sechs.

Übertragungsleitungen

dargestellt.

Die Leitungen 23 und 24 des Erregers sind an innere und äußere zylindrische Leiter 401, 402 angelötet oder hartgelötet. Der innere Leiter 401 kann massiv oder hohl sein, während der äußere rohrförmige Leiter 402 vorzugsweise zylindrisch ist. Die Isolation, die zwischen den Leitern vorhanden sein muß und vorzugsweise zwischen den Leitern und den Abdichtungen 407 und 408 angeordnet ist, ist in

läutern. Die innere Kurve 520 zeigt die Beziehung 70 Fig. 40 zur klareren Darstellung weggelassen.

In der Nähe der Stelle, wo die benachbarten Bohrröhrenabschnitte miteinander verbunden werden, sind auch Vorkehrungen getroffen, um die Verbindungsleitungen voneinander zu trennen. Zu diesem Zweck verbindet ein Kupplungsglied 405, das in Fig. 41 schaubildlich dargestellt ist, den unteren inneren Leiter 401 mit dem entsprechenden oberen inneren Leiter 401 a, der in dem Bohrröhrenzug nach oben führt. Durch Schlitze 405 a werden federnde Streifen

schnittes der Verbindungsleitung angeordnet werden. Wenn das obere geschlitzte Ende des Leiters 406 mit dem zylindrischen Leiter 403 α. in Eingriff kommt, dann berührt auch der Leiter 405 den Leiter 401 α. 5 Normalerweise wird die Anordnung auf die unteren Leiter, z. B. die Leiter 401 und 402 der Fig. 42, aufgesetzt. Die Verbindungsanordnung kann auch zuerst auf eine beliebige Seite eines Abschnittes des Bohrröhrenzuges aufgesetzt werden, wobei der andere Abnutzt wird, während gleichzeitig die kreisförmige Durchlaßöffnung zwischen der Übertragungsleitung und der Bohrröhre erhalten bleibt.

Um die Übertragungsleitung konzentrisch in der Bohrröhre zu halten, können Stützen, etwa zwei in jedem Abschnitt der Bohrröhre, vorhanden sein. Eine solche Zentrieranordnung 412 ist in Fig. 42 dargestellt. Sie hat drei radiale Arme oder Stützen 412 5,

geformt, die beim Zusammensetzen der Übertragungs- io schnitt dann durch Einschrauben des Bohrröhrenleitung eine Verbindung niedrigen Widerstandes abschnittes zur Vervollständigung der Anordnung beinfolge der Schleif wirkung ergeben. In ähnlicher Weise
kann ein Verbindungsteil 406 für die äußeren Leiter
vorgesehen sein, mit ähnlichen federnden Teilen an
den gegenüberliegenden Enden, damit der untere i₅
äußere Leiter 402 und der obere äußere Leiter 403 α
miteinander verbunden werden.

Der in Fig. 40 und 41 dargestellte offene Raum
innerhalb der Hülle 410 ist mit einem geeigneten Isoliermaterial ausgefüllt, und die verschiedenen Ver- 20 von denen zwei in der Zeichnung sichtbar sind, bindungen zwischen der Hülle 409 und 410 und zwi- Das Verständnis einer weiteren Art der Übersehen der Hülle 410 und 411 sind durch die Dich- tragungsleitung wird durch die schaubildliche Antungen 407 und 408 wasserdicht abgeschlossen. Diese sieht der Fig. 43 und 44 erleichtert, in denen halb-Dichtungen enthalten eine Reihe von biegsamen, ring- ringförmige Leiter 421 und 422 z. B. durch Silbeiförmigen Dichtungselementen, die durch mehrere 25 lötung mit halbringförmigen Leitern 423 und 424 verSchlitze 407 a und 408 a am Umfang gebildet werden. bunden sind. Der Leiter 423 ragt über das obere Ende Auf diese Weise werden die Schlitze 407 a unter des Leiters 424 hinaus. Die Leiter 423 und 424 behydraulischen Druck mittels des Schlammes oder der finden sich in verschiedenen radialen Abständen von Flüssigkeit in dem Bohrloch gesetzt, und zwar an der Mittellinie der Verbindungsanordnung. Entjeder Verbindungsstelle der Gehäuse, um die Dichtun- _3o sprechend nach unten gerichtete Leiter 421a bis 424a gen auszudehnen und sie gegen die benachbarten sind mit Leitern 421 bis 424 über Überbrückungs-Hüllen zu pressen und hierdurch die Dichtigkeit des leiter 425 und 426 verschiedenen Durchmessers ver-Abschlusses zu verbessern. Die Dichtung 408 wirkt bunden. Die einander gegenüberliegenden Enden der in ähnlicher Weise. ringförmigen Leiter 426 haben federnde Ansätze, die

Die Art und Weise, in der die Teile zusammen- 35 in den Fig. 43 und 44 nicht dargestellt sind und im

arbeiten, kann am besten aus Fig. 42 erkannt werden, Eingriff mit den halbringförmigen Leitern 424 und

in der der zylindrische Leiter 406 dargestellt ist, der 424a stehen. Die einander gegenüberliegenden Enden

eine elektrische Isolation 406 a umgibt, die zwischen dem äußeren Leiter 406 und dem inneren zylindrischen

der Leiter 426 können in der oben beschriebenen Weise geschlitzt sein, so daß sie ebenfalls federnde Ansätze

g ,

Leiter 405 liegt, wobei die Isolation 406 & zwischen ₄₀ bilden, die einen guten Schleifkontakt ergeben. In dem Leiter 406 und der Hülle 410 angeordnet ist. Ein ähnlicher Weise stehen die gegenüberliegenden Enden Isoliermaterial, welches die offenen Räume in der
Hülle 410 ausfüllt, besteht aus einem nachgiebigen

Stoff und ist mit den metallischen Teilen 410, 406

der ringförmigen Leiter 425, die zweckmäßig geschlitzt sind, mit den benachbarten Enden der Leiter 423 und 423 a im Eingriff. Infolge der verschiedenen und 405 so verbunden, daß die ganze Anordnung als 45 Durchmesser verbinden die koaxialen ringförmigen Einheit wirkt. Leiter 425 bzw. 426 die Leiter 423 und 423 a und 424

Um die benachbarten Abschnitte der Übertragungs- 424 _a ohne Rücksicht auf die Winkellage bezüglich der leitung mit den entsprechenden Abschnitten der Bohr- Längsachse. Es ist daher nicht wichtig, daß ein halbröhren 21 n, die in Fig. 40 teilweise dargestellt sind, ringförmiger Abschnitt der Übertragungsleitung gezu entkuppeln, wird die Schraubverbindung des Bohr- 50 genüber dem nächsten ausgerichtet ist. Wenn die Ab· röhrenzuges gelöst. Das obere Gehäuse 411 wird mit schnitte miteinander verbunden werden, ergeben die der Dichtung 408 nach oben bewegt. Die nach oben ringförmigen Leiter 425 und 426 eine Verbindung gerichtete Kraft, die auf die Hülle 410 durch die Dich- niedrigen Widerstandes.

tung 408 sowie auf den Leiter 406 durch den Leiter Wie aus dem Schnitt der Fig. 46 hervorgeht, ist

403 a und auf den Leiter 405 durch den Leiter 401 α _{55 e}in Verbindungsglied 430 durch Gewinde bleibend, ausgeübt wird, kann dazu führen, daß die Anordnung _z. B. mittels einer Schweißung 431 α, mit dem oberen sich mit dem oberen Abschnitt der Bohrröhre nach Ende eines unteren Abschnittes einer Bohrröhre 431 oben bewegt, bis die Verbindungsleitung getrennt ist. verbunden, so daß ein Endstück entsteht, welches aufWenn die Reibungskräfte zwischen der Verbindungs- schraubbar und abnehmbar den Verbindungsteil 432 anordnung und dem unteren Abschnitt der Über- 60 aufnimmt. Eine Dichtung 433 ist vorzugsweise vortragungsleitung größer sind als die zwischen der Ver- gesehen, um den Luftraum im Bereich des Verbinbindungsanordnung und dem oberen Abschnitt der dungsgliedes möglichst klein zu machen. Eine innere Übertragungsleitung, dann kann die Unterbrechung Ausfütterung 434 erstreckt sich von dem unteren Abder Übertragungsleitung auch herbeigeführt werden; schnitt der Bohrröhre 431 nach oben und endet in der aber die Verbindungsanordnung bleibt in Verbindung 65 Nähe einer Dichtungspackung 435. Eine kurze Ausmit dem unteren Abschnitt 405, 406 der Übertragungs- fütterung 436 erstreckt sich von der unteren Verbinleitung. dungsstelle der Dichtung 435 bis zu der oberen Ver-

Beim Zusammensetzen der Leitung wirkt die Ver- bindungssteile einer zweiten Dichtung 437. Die Ausbindungsanordnung wieder als einheitlicher Bauteil. fütterung 438 des oberen Abschnittes der Bohrröhre Dieser Bauteil 450 kann an dem einen Ende eines Ab- 70 endet an der Dichtung 437. Die Ausfütterungen 434.

436 und 438 liegen koaxial zur Längsachse der Bohrröhre und gestatten einen offen und ungehinderten Durchtritt für den Schlamm.

In Fig. 43 ist die elektrische Verbindung zwischen den halbringförmigen Leitern 421 α und 423 α dargestellt sowie die ähnliche Verbindung zwischen den Leitern 422 a und 424 a. In dem Bereich unmittelbar unterhalb der Dichtung 437 steht der ringförmige Leiter 426 in elektrischem Kontakt mit dem halbring-

sind. Wenn die Verbindungsanordnung zusammengesetzt ist, fließt der Strom über die Leiter 421 a, 423 a, den Verbindungsleiter 425, die Leiter 423,421 b, 423 b, den Verbindungsleiter 425 a, den Leiter 423 c und über den Leiter 421 c zur nächsten Bohrröhrenlänge. Der Strom fließt stets in dieser Weise, da es nicht darauf ankommt, welche Winkelstellung die Bohrröhren haben, wenn sie zu dem Bohrröhrenzug zusammengesetzt werden. Auch der andere Stromweg, der in

förmigen Leiter 424a; er hat jedoch nach innen einen io ähnlicher Weise geführt ist, bleibt stets der gleiche. Abstand von dem halbringförmigen Leiter 423α. In Fig. 44 stimmt mit Fig. 43 überein; es sind ledigder Nähe des Endes des ringförmigen Leiters 426 hat lieh an Stelle der längeren halbringförmigen Leiter dieser Leiter von dem Leiter 425 einen inneren Ab- 423 und 423 b, die mit dem gleichen Leiter verlötet stand, während der letztere in leitender Verbindung sind, in Fig. 44 diese Leiter mit verschiedenen halbmit dem halbringförmigen Leiter 423 steht. Der obere 15 ringförmigen Leitern 421 b und 422 b des Bohrröhren-Abschnitt kann irgendeine Winkelstellung gegenüber abschnittes verlötet. Die gleiche Änderung ist bezügdem unteren Abschnitt der Bohrröhre haben. Eine lieh der kürzeren halbringförmigen Leiter 424 und Änderung der relativen Winkelstellung hat nur die 424 & vorgenommen. Der Strom fließt daher über den Wirkung, daß die halbringförmigen Leiter an dem Leiter 421?? und den kürzeren halbringförmigen Leiter Umfang ihrer zugehörigen ringförmigen Leiter ver- 20 424 c? von kleinerem Radius, welcher mit der Hülse schoben werden. 426 a im Eingriff steht, und von dort über den halb-Aus den Fig. 43 und 44 geht die Art der Zu- ringförmigen Leiter 424 c und 422 c. In dem unteren sammensetzung und Lösung der Verbindung hervor. Abschnitt, der durch Pfeile bezeichnet ist, fließt der Die halbringförmigen Leiter 423 und 424 sind in Iso- Strom daher von dem Leiter 4216 zum Leiter 422 c.

Dadurch, daß eine Anzahl von Längen von Bohrröhren

lationsmaterial in dem unteren Abschnitt der Bohrröhre eingebettet (nicht dargestellt) und ragen verschieden weit nach oben, um die Leiter 425 und 426 aufzunehmen. Der Leiter 426 ist so angeordnet, daß er mit der Innenfläche des Leiters 424 in gleitende

nach Fig. 44 in Abständen an dem Bohrröhrenzug verteilt werden, ändert sich die Lage des Stromflusses an diesen Längen der Bohrröhren, und die Leitungskapazität gegenüber Erde kann dadurch ausgeglichen

Berührung kommt, und der Leiter 425 kommt in ahn- 30 werden,

licher Weise mit der Innenfläche des Leiters 423 in Die Schutzhüllen oder Ausfütterungen 434, 436 und

Eingriff. Nachdem die Anordnung 425, 426 so zu- 438 der Fig. 46 umfassen einen großen offenen Durch-

sammengesetzt worden ist, wird die nächste Länge gang. Beim Bohren dient dieser Kanal zur Durch-

der Bohrröhre nach unten bewegt, so daß die Innen- leitung des Bohrschlammes nach unten, und während

fläche des Leiters 423 über das obere Ende des Leiters 425 gestreift wird und die Innenfläche des Leiters 424 α über das oberen Ende des Leiters 426 greift. Die elektrischen Verbindungen sind dann vollständig hergestellt und können beim Auseinandernehmen des

anderer Betriebszeiten kann dieser Kanal auch für das Einführen von Werkzeugen benutzt werden, die zur Untersuchung, zur Prüfung oder zum Herausfischen dienen. Der innere Durchmesser der Schutzhülle 436 ist natürlich dadurch begrenzt, daß die beiden konzen-

Bohrröhrenzuges in umgekehrter Weise gelöst werden. 40 irischen, ringförmigen Verbindungsleiter 425 und 426 Es ist offensichtlich, daß eine gewünschte Polarität und die drei konzentrischen ringförmigen Isolierin dem ganzen elektrischen Leitungssystem einge- schichten zwischen der Hülse 436 und der Bohrröhre halten werden kann, wenn die Leiter in jedem Ab- vorhanden sind. Da jeder leitende Abschnitt einer schnitt des Bohrröhrenzuges nach Fig. 43 aufgebaut Bohrröhrenlänge nur eine ringförmige Schicht entsind, weil der gleiche elektrische Leitungszug zwi- 45 halten kann, in der die halbringförmigen Leiter 421 a sehen den entsprechenden Leitern des einen Ab- und 424a angeordnet sind, sowie zwei ringförmige schnittes und den entsprechenden Leitern des nächsten Isolationsschichten, sind die Durchmesser der AusAbschnittes aufrechterhalten bleibt. Der im wesent- fütterungen 434 und 438 etwas größer als der Durchlichen halbringförmige Leiter 423 α des oberen leiten- messer der Ausfütterung 436. Der Endabschnitt der den Abschnittes nach Fig. 43 entspricht dem halbring- 50 Ausfütterung 438 in dem oberen leitenden Abschnitt förmigen Leiter 423 in dem unteren leitenden Ab- und der Endabschnitt der Ausfütterung 434 in dem schnitt, da jeder der Leiter 423 und 423a den gleichen unteren leitenden Abschnitt haben gleiche Durch-Abstand von der Achse hat und jeweils den äußeren messer wie die Ausfütterung 436 der Verbindungs-Leiter 425 berührt. Der halbringförmige Leiter 424 α anordnungen. Diese drei Durchmesser sind gleich des oberen leitenden Abschnittes entspricht in ahn- 55 groß, damit sich eine glatte Wandung für die Durchlicher Weise dem halbringförmigen Leiter 424 des laßleitung an jedem Verbindungspunkt ergibt, unteren leitenden Abschnittes. Da die beiden Leiter Obwohl die besonderen Abdichtungen 435 und 437 gleichen Abstand haben, so berühren sie stets den nach Fig. 46 bevorzugt werden, können auch andere inneren Leiter 426. Obgleich diese Wahrung der Po- Dichtungen verwendet werden. O-Ring-Abdichtungen, larität bei der Übertragung des Wechselstromes nicht 60 Kompressionsdichtungen und andere Dichtungen notwendig ist, so ist sie doch sehr angenehm bei der können an Stelle der dargestellten Dichtungen benutzt Übertragung des Gleichstromes, da beim Anschluß werden. Es ist notwendig, Dichtungen an jeder Ver-

des Gleichstromes die Polarität nicht erst durch Versuch ermittelt werden muß.

Fig. 43 zeigt im einzelnen, wie die Verbindungsleitung zwischen drei Längen der Bohrröhren verläuft. Die oberste Länge der Bohrröhre kann nach Fig. 40 in einem konischen Gewindestück enden, in dem die halbringförmigen Leiter 423 α und 424 & durch

bindungsstelle zwischen einem leitenden Abschnitt und dem ringförmigen Verbindungsglied vorzusehen, um zu verhindern, daß Bohrschlamm oder andere fremde Substanzen in die Leiter und Isolatoren eindringen. Ein solches Eindringen würde natürlich die elektrischen Kraftübertragungsleitungen beschädigen. Da alle Kontakte zwischen den leitenden Abschnitten

Hartlöten mit den Leitern 421 α und 422 α verbunden 70 und den ringförmigen Verbindungsstücken über-

läppende Kontakte und keine aufeinanderstoßenden Kontakte sind, sind keine engen Toleranzen bezüglich der Längsabmessungen der Verbindungsstücke erforderlich. Die Abmessungen der ringförmigen Verbindungsstücke sind vorzugsweise so gewählt, daß kleine ringförmige Räume in jeder Verbindungsstelle verbleiben. Daher können verhältnismäßig großeToleranzen zugelassen werden, und Abnutzungen sind auf diese Weise ausgeglichen. Die Stellen der ringförmigen Leiter in der Nähe dieser veränderlichen Abschnitte sollten zweckmäßig mit einem isolierenden Schmiermittel bedeckt werden, bevor die Verbindungsstücke in die Bohrröhren eingesetzt werden. Die elektrische Übertragungsleitung kann ständig fortschreitend geprüft werden, indem eine geeignete Prüfeinrichtung an die gerade angefügte Bohrröhrenlänge angeschlossen wird, und zwar durch eine einstöpselbare Vorrichtung, die ähnlich ausgebildet ist wie ein ringförmiger Verbindungsteil. Die Prüfung kann dann auch während der Absenkung des Bohrröhrenzuges durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft Erreger einer neuen und vom Bekannten völlig verschiedenen Art. Der Erreger darf nicht den Umlauf der Bohrflüssigkeit oder des Schlammes stören, und die starke Vibration des Erregers und des Meißels darf nicht die elektrischen Verbindungen beeinflussen, durch die der Gleichstrom und der Wechselstrom dem Erreger zugeführt werden.

In dem Erreger selbst hat der äußere Teil, der den magnetischen Rückschluß bildet, eine Permeabilität und eine Fluß dichte, die mindestens so groß sind wie die des inneren Teils aus magnetostriktivem Material. Der äußere Teil kann entweder nach Fig. 2 und 13 aus magnetostriktivem Material bestehen oder aus einem anderen Material hoher Permeabilität und hoher Flußdichte, wobei die Ouerschnittsflächen der beiden Teile sich umgekehrt verhalten wie die maximalen Flußdichten. Wenn der äußere Teil die hohe Permeabilität und die hohe Flußdichte — höher als die des magnetostriktiven Materials — hat, dann kann seine Ouerschnittsfläche kleiner sein, und die Fläche ist daher umgekehrt proportional dem Verhältnis der maximalen Flußdichten. Der Gesamtfluß in den beiden Teilen ist etwa der gleiche. Die Abwesenheit von Vor-Sprüngen und die glatte Umrißlinie des Erregers von einem Ende zum anderen verhindert die Möglichkeit einer Kopplung zwischen dem Erreger und der Bohrflüssigkeit. Da der Erreger in einem viskosen Medium arbeitet, würden Vorsprünge, die in die Bohrflüssigkeit oder den Schlamm hineinragen, eine hohe Dämpfung bewirken, und es würde ein beträchtlicher Energieverlust auftreten, der durch die Erfindung auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird, dadurch, daß die Ouerschnittsfläche von dem Meißel bis mindestens zu einem Teil des Filters gleichmäßig ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Filter selbst den gleichen Querschnitt wie der Erreger, um eine Änderung der Ouerschnittsfläche zu vermeiden, die Verluste an Schwingungsenergie ergeben würde. Der Erreger selbst besteht aus massiven Materialien. Die Isolationen und Abdichtungen verhindern das Eindringen von gasförmigen oder flüssigen Materialien. Die einzigen gasförmigen oder flüssigen Materialien, die in dem Erreger vorhanden sind, sind die winzigen Mengen, die sich in den festen Materialien in Lösung befinden. Die Erregerwicklung ist so aufgebaut, daß bei maximal zulässiger Stromdichte in der Wicklung ein Erregerfeld von einer Stärke erzeugt wird, bei der das Produkt aus der mechanischen Beanspruchung infolge der Magnetostriktion und der Querschnittsfläche des Erregerkernes ein Maximum ist. Die größte zulässige Stromdichte in der Wicklung wird hauptsächlich durch den Drahtwiderstand, die Spulengeometrie und den zulässigen Temperaturanstieg über die in dem Draht und der Spulenisolation herrschende Temperatur bestimmt. Ein sekundärer Faktor ist die Wahl des maximalen Prozentsatzes der Eingangsleistung, die in der Erregerspule verarbeitet werden kann. Typische zulässige Höchsstromdichten liegen in der Größenordnung von 160 bis 320Amp. proem². Die günstigste Erregerfeldstärke wird graphisch aus dem Produkt der mechanischen Beanspruchung und dem Querschnitt des Kernes in Abhängigkeit von dem Erregerfeld gefunden. Die Änderung des magnetischen Feldes in den magnetostriktiven Teilen erzeugt die Antriebskraft oder Zugbeanspruchung, und diese ist auch abhängig von der Querschnittsfläche des magnetostriktiven Erregerkernes. Es wurde gefunden, daß der beste Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn dieses Produkt ein Maximum ist. Der von der Spule eingenommene Raum kann auf ein Mindestmaß gebracht werden, indem der Kupferquerschnitt und die Zahl der Wicklungen entsprechend gewählt werden. Insbesondere ergibt bei gegebener Spulengröße das Produkt aus dem Strom und der Zahl der Leiter eine Ziffer, die für den Strom in dem von der Spule eingenommenen Raum oder Querschnitt maßgebend ist. Wenn der Strom in der Fläche durch die Fläche selbst geteilt wird, ergibt sich die maximal zulässige Stromdichte. Diese Stromdichte soll einen Maximalwert für die besondere Wicklung haben.

Claims (8)

1. Patentanspruch ε-1. Einrichtung zur Erzeugung stoßender Bewegungen des Meißels bei Rotary-Tiefbohranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Bohrgestänges (21) oberhalb des Meißels (10) aus einem magnetostriktiven Schwingungserzeuger (12) besteht, der aus zwei mit ihren Enden eng aneinander liegenden konzentrischen rohrförmigen Teilen (19,22) gebildet ist, zwischen welchen Teilen in einem Ringraum die zur magnetischen Erregung dienende Wicklung (18) vorgesehen ist, wobei mindestens einer der rohrförmigen Teile aus magnetostriktivem Material zusammengesetzt ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Teile (19, 22) aus zu Sektorenpaketen miteinander verbundenen Lamellenblechen bestehen.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen der eng aneinander liegenden Enden der inneren und äußeren rohrförmigen Teile (19,22) miteinander verschweißt sind.
4. 4. Tiefbohreinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger oben und unten mit Zwischenstücken (12 a, 12 b) zum Anschluß an das übrige Gestänge bzw. an den Meißel versehen ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger und die Zwischenstücke (12 a, 12 b) zusammen eine Länge besitzen, die gleich der halben Wellenlänge des Schwingungserregers bei der Resonanzfrequenz oder einem ganzen Vielfachen derselben ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwingungserreger (12) und dem unteren

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   Ende des Bohrgestänges ein Filter (20 J angebracht ist, welches das Bohrgestänge gegen die im Schwingungserreger erzeugten Schwingungen abschirmt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus einer Anzahl zur Übertragung des Drehmoments dienender Glieder (20 a, 20 b, 20 c) aus gleichem Material besteht und daß diese Glieder, von der Spitze des Schwingungserregers beginnend, abwechselnd relativ zueinander gesehen, einen kleineren und einen größeren Materialquerschnitt besitzen, wobei jedes Glied eine Länge hat, die etwa einem Viertel der Wellenlänge des Erregers bei der Resonanzfrequenz ist.
8. 8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Glieder des Bohrgestänges jeweils mit einer aus elektrischen Leitern bestehenden Übertragungs-

   leitung ausgerüstet sind, wobei mindestens einer der Leiter (402) eine gekrümmte Querschnittsfläche besitzt und die sich in Längsrichtung der Glieder erstreckenden Leiter in Isolierstoff eingebettet sind, und daß jeweils ein Kupplungsstück zwischen benachbarten Gliedern vorgesehen ist, welches in elektrischen Isolierstoff eingebettete Überbrückungsleiter (405,406) besitzt, die mit den gegenüberliegenden Anschlußstücken der Leiter in den benachbarten Gliedern in elektrischem Kontakt stehen, und daß ferner Abdichtungen (407, 408) den Zutritt von elektrisch leitender Flüssigkeit zu den Kontaktflächen zwischen den Überbrückungsleitern und den Anschlußstücken der Leiter verhindern.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA-Patentschrift Nr. 2 507 585.

   Hierzu 7 Blatt Zeichnungen