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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schlagwerk zum Bohren in der Erdölindustrie mit Strömungsmittelantrieb und dessen Verwendung.
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Stand der Technik
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Bei einem Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb handelt es sich um eines der so genannten BHA-Werkzeuge (Bottom Hole Assembly; Werkzeugbaugruppe am Grund eines Bohrlochs), die am Grund bei Schlagbohrtechniken angetrieben werden, wobei es sich beim Schlagbohren um ein gegenüber dem Stand der Technik neues Verfahren handelt. Das Funktionsprinzip beim Schlagbohren ist dabei wie folgt: oben an einem Bohrmeißel oder einem Kernrohr befindet sich ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb. Während des Bohrbetriebs dreht sich der Bohrmeißel zusammen mit einem Bohrstrang unter einem bestimmten Bohrmeißeldruck. Gleichzeitig wirken auf den Bohrmeißel hochfrequente Schläge ein, die vom Schlagwerk kommen, so dass das Gestein unter der gemeinsamen Wirkung der Drehbewegung und der Schlagwirkung gebrochen wird, um so die Eindringgeschwindigkeit beim Bohren erheblich zu steigern.
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In
CN 2385068Y wird ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb offenbart, das gemäß der Darstellung in
1 Folgendes aufweist: eine obere Gelenkverbindung
1; eine äußere Bohrhülse
2, die mit einem unteren Gewindeabschnitt der oberen Gelenkverbindung
1 an ihrem oberen Ende verbunden ist; eine mittlere Gelenkverbindung
3, die mit einem unteren Gewindeabschnitt der äußeren Bohrhülse
2 an ihrem oberem Ende verbunden und mit einem zentralen Kanal versehen ist; ein Außenrohr
4, das mit einem unteren Ende der mittleren Gelenkverbindung
3 über ein Gewinde verbunden ist; eine innen-prismenförmige Hülse
5 mit einem innen ausgebildeten Loch, das ein mehreckiges Profil aufweist, welche mit einem unteren Gewindeabschnitt des Außenrohres
4 verbunden und mit einem in der Mitte ausgebildeten Kanal versehen ist; einen Amboss
6, der im Inneren der Hülse
5 angebracht und mit Außengewinden an deren unterem Ende versehen ist; eine untere Gelenkverbindung
7, die an ihrem oberen Ende ein Loch mit einem Innengewinde aufweist, mit welchem das untere Ende des Ambosses
6 verbunden ist und welche an ihrem unteren Ende eine Gewindeöffnung zur Anbringung von Werkzeugen wie zum Beispiel einem Bohrmeißel besitzt. Bei dem Schlagwerk steht der in der Mitte liegende Kanal der mittleren Gelenkverbindung in Strömungsverbindung mit einem innen liegenden Hohlraum des Außenrohres. In Abfolge sind auf der äußeren Bohrhülse
2, der mittleren Gelenkverbindung
3 und dem Außenrohr
4 ein oberer Deckel
8 mit einem Loch in der Mitte zum Ableiten des Strömungsmittels und einer Vielzahl von Löchern zur Ableitung von Strömungsmittel angeordnet, ferner ein Düsenelement
9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern
90, ein Zylinder
10 mit einem innen liegenden Hohlraum, ein in dem innen liegenden Hohlraum des Zylinders
10 angebrachter Kolben
11, eine mit dem Kolben
11 verbundene Kolbenstange
12, ein unterer Zylinderdeckel
13, der am unteren Ende des Zylinders
10 angebracht und mit einem Loch in der Mitte für den Durchtritt der Kolbenstange
12 versehen ist, und ein Schlaghammer
14, der mit der Kolbenstange
12 verbunden ist und auf den oberen Teil des Ambosses
6 eine Schlagwirkung ausübt. Das für den Schlagbetrieb nicht erwünschte Strömungsmittel wird durch die Löcher zum Ableiten des Strömungsmittels im oberen Deckel
8 zur Strömungsmittelableitung ausgeleitet, um so wieder in den Strömungsmittelkreislauf zurückgeführt zu werden. Der innen liegende Hohlraum im Zylinder
10 ist in einen oberen Hohlraum
15 und einen unteren Hohlraum
16 unterteilt. Eines dieser Auslasslöcher des Düsenelements
9 steht mittels eines seitlichen Kanals
17 in Strömungsmittelverbindung mit dem unteren Hohlraum
16. Die Innenwandung der äußeren Bohrhülse
2 und die Außenwandung des Zylinders
10 definieren die Grenzen für den seitlichen Kanal
17. Mit anderen Worten ist der seitliche Kanal
17 zwischen der Innenwandung der äußeren Bohrhülse
2 und der Außenwandung des Zylinders
10 in der Weise ausgebildet, dass in der Außenwandung des Zylinders ein Schlitz mit C-förmigem Querschnitt gebildet wird, der sich zur Innenwandung der äußeren Bohrhülse hin öffnet. Aus Gründen größerer Klarheit wird hier auf eine Beschreibung des Düsenelements
9 verzichtet, da es in der Technik bekannt ist und zum Beispiel in
CN 2385068Y beschrieben wurde.
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Nachstehend wird nun das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb wie folgt beschrieben:
Das Betriebsmittel, das aus dem in der Mitte vorhandenen Loch im oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung kommt, tritt in den oberen Hohlraum 15 und in den unteren Hohlraum 16 durch das Düsenelement 9 und dessen Auslasslöcher ein. Der Kolben 11 und weiterhin die Kolbenstange 12 und der Schlaghammer 14 bewegen sich unter der Wirkung der Druckunterschiede zwischen dem oberen Hohlraum 15 und dem unteren Hohlraum 16 innen in den Hohlräumen hin und her, um so die Schlagkraft auf das Oberteil des Ambosses 6, die untere Gelenkverbindung und dadurch auf den Bohrmeißel zu übertragen. In der Zwischenzeit wird das Drehmoment vom Bohrstrang auf den Amboss 6, dann auf die untere Gelenkverbindung 7 und den Bohrmeißel über die innere prismenförmige Hülse 5 übertragen, wodurch ein Bohrteil wie zum Beispiel ein mit dem unteren Gelenk verbundener Bohrmeißel in die Lage versetzt wird, unter der Einwirkung der Drehkraft und der Schlagkraft vorwärts zu bohren. Ein derartiges Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb kann im Wesentlichen die Bohrleistung verbessern und gleichzeitig die Bohrkosten senken. Ganz allgemein umfasst die Mechanik zur Kraftübertragung bei dem Schlagwerk den Amboss, die innere prismenartige Hülse und die untere Gelenkverbindung.
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Das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb und dessen Mechanik zur Kraftübertragung, die in
CN 2385068Y beschrieben wird, sind jedoch mit einigen Nachteilen verbunden.
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Zunächst müssen die Schleifteile bei dem Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb infolge ihres Abriebs ersetzt werden, wodurch sich die Standzeit des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb verkürzt. Dabei sind zwei Schleifteile vorhanden, nämlich die Löcher zur Strömungsmittelableitung im oberen Deckel, welcher das Strömungsmittel ableitet, und der O-förmige Gummidichtungsring, der sich zwischen der Außenfläche des Zylinders und der Innenwandung der äußeren Bohrhülse befindet. Der O-förmige Gummidichtungsring wird zum Abdichten des seitlichen Kanals verwendet, damit das Strömungsmittel aus dem Düsenelement in den unteren Hohlraum des Zylinders strömen kann. Der O-förmige Dichtungsring wird als Hauptdichtung bezeichnet, deren Lebensdauer in der Praxis weniger als 30 Stunden beträgt, weshalb die Standzeit des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb kürzer als 30 Stunden ist.
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Der Grund, weshalb der Gummidichtungsring (die Hauptdichtung) leicht abgerieben wird, liegt darin, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit, welche am Dichtungsring vorbeiströmt, sehr hoch ist, und dass die verschiedenen Elemente unregelmäßige Formen aufweisen, wodurch Wirbel hervorgerufen werden, welche den Dichtungsring unter Abrieb- bzw. Schleifwirkung abspülen. Außerdem erleidet die Hauptdichtung vorzeitig wegen der hohen Temperatur und des hohen Drucks der korrodierend wirkenden Bohrflüssigkeit beim Bohren am Grund des Bohrlochs eine Qualitätseinbuße oder wird dadurch beschädigt. Des Weiteren liegt der Grund, aus dem das Loch zur Strömungsmittelableitung leicht abgerieben wird, darin, dass der obere Deckel zur Strömungsmittelableitung im Allgemeinen aus einer Baustahllegierung mit vergleichsweise geringen Härte wie HRC von 28 bis 32 hergestellt wird, zum Beispiel aus einer Legierung 40 Cr und 35 CrMo. Deshalb spült das sehr schnell strömende Strömungsmittel die Löcher leicht unter einer Schleifwirkung ab. Die Betriebszeit des Lochs zur Strömungsmittelableitung beträgt im Allgemeinen etwa 30 Stunden.
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Zum anderen erhöht das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb die Bohrgeschwindigkeit nicht erheblich, da dann, wenn die Schlagkraft auf den Bohrmeißel übertragen wird, 60% der Schlagkraft verloren gehen, was bedeutet, dass nur noch 40% der Kraft auf den Bohrmeißel übertragen werden. Deshalb ist die Betriebsleistung beim Bohren sowohl mit Schlagwirkung als auch Drehwirkung erheblich reduziert.
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Schließlich muss der obere Deckel zur Strömungsmittelableitung häufig ausgewechselt werden, da die das Strömungsmittel ableitenden Löcher leicht abgerieben werden, wie vorstehend erläutert wurde, und da die Größe der Löcher zur Strömungsmittelableitung unveränderlich ist, so dass für die Arbeit mit unterschiedlichen Strömungsmittelströmen die Löcher zur Strömungsmittelableitung so nachbearbeitet werden müssen, dass sie eine andere Größe aufweisen, oder dass eine Reihe von oberen Deckeln zur Strömungsmittelableitung mit Löchern zur Strömungsmittelableitung unterschiedlicher Größe hergestellt werden müssen. Deshalb erhöhen sich die Kosten für die Vorhaltung von oberen Deckeln zur Strömungsmittelableitung, während sich aber die Leistungsfähigkeit nicht verbessert.
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Die vorstehend beschriebenen Nachteile können sich auf die Einsatzdauer und die Leistungsfähigkeit des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb sehr nachteilig auswirken und diese einschränken, was breit gefächerte Einsatzmöglichkeiten der Bohrtechnik mit Rotations- und Schlagwirkung und die wirtschaftlichen und technischen Vorzüge dieser Technik beeinträchtigt.
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Außerdem ist in
DE 25 12 784 B2 ein Tieflochbohrhammer offenbart, der am unteren Ende einen Spülbohrungen, Vertiefungen und Hartmetalleinsätze aufweisenden Bohrmeißel trägt. Hierzu weist der Tieflochbohrhammer ein Rohr auf, in dem ein bewegbarer Steuerzylinder angeordnet ist. Der Steuerzylinder
20 ist mittels einer Druckfeder federbelastet. Der Steuerzylinder
20 weist ferner ein Steuerrohr auf, das mit einer Düse versehen ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb bereit zu stellen, mit welchem die Nachteile aus dem Stand der Technik, wie zum Beispiel kurze Einsatzzeiten des Schlagwerks, überwunden werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb zu schaffen, welches die Schlagenergieeffizienz verbessern und dadurch die Bohrgeschwindigkeit und die Betriebsleistung erhöhen kann.
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Eine letzte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung beim Bohren in starren und brüchigen Erdformationen einzusetzen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Hierzu ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse; ein im Inneren der äußeren Bohrhülse eingebautes Düsenelement mit einer Vielzahl von Auslasslöchern; einen im Inneren der äußeren Bohrhülse angebrachten Zylinder mit einem Innenhohlraum; einen oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung mit einer Vielzahl von Löchern zum Ableiten von Strömungsmittel; einen Kolben, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders befindet und welcher den Innenhohlraum in einen oberen Hohlraum und einen unteren Hohlraum unterteilt; eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange; einen unteren Zylinderdeckel mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer, der mit der Kolbenstange verbunden ist; und eine Kraftübertragungsmechanik. Bei dem Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb ist der Zylinder in seiner Außenwandung mit einem seitlichen Kanal versehen, mit dessen Hilfe eines der Auslasslöcher des Düsenelements in Strömungsverbindung mit dem unteren Hohlraum steht. Der seitliche Kanal ist auf der Außenwandung des Zylinders in der Weise ausgebildet, dass der seitliche Kanal von der Oberfläche der Innenwandung der äußeren Bohrhülse wasserdicht getrennt ist.
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Mit diesem Ausführungsbeispiel wird die Ausbildung des seitlichen Kanals im Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb verändert und wird die Verwendung einer Hauptdichtung aus Gummi vermieden, so dass das Problem mit vorzeitiger Funktionsstörung der Dichtung für das Schlagwerk umfassend überwunden wird, während sich die Bohrgeschwindigkeit und die Bohrleistung verbessern, wodurch die jeweilige Einsatzzeit des Schlagwerks um mehr als das Doppelte verlängert wird.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist auf der Außenwandung des Zylinders der seitliche Kanal in der Weise ausgebildet, dass auf der Außenwandung des Zylinders eine im Wesentlichen C-förmige Vertiefung gebildet und mit einem gebogenen Metallteil abgedeckt ist, das von außen aufgeschweißt wird, wobei das Metallteil an den Umriss des Randes der Vertiefung angepasst ist. Alternativ wird der seitliche Kanal dadurch ausgebildet, dass er in die Außenwandung in der Weise eingeformt wird, dass die Außenwandung des Zylinders als Trennfläche des seitlichen Kanals fungiert.
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Entsprechend anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein metallisches Dichtungsteil für eine komprimierte Abdichtung in axialer Richtung zwischen dem Düsenelement und einem oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung des Zylinders vorgesehen und/oder eine Kupferhülse ist in ein Loch in der Mitte eines unteren Zylinderdeckels eingesetzt, welche die Kolbenstange dicht umschließt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält das mit Strömungsmittel angetriebene Schlagwerk eine Mechanik zur Kraftübertragung, welche Folgendes aufweist: eine innen-prismenartige Hülse mit einem inneren Loch mit mehreckigem Profil, die im Inneren eines Außenrohres dadurch angebracht ist, dass das Außengewinde auf dem oberen Ende der innen-prismenartigen Hülse mit dem Innengewinde am unteren Ende des Außenrohres verbunden wird; ferner einen außen-prismenartigen Amboss, der verschieblich in dem inneren Loch der innen-prismenförmigen Hülse angebracht ist. Bei dem Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb ist auf der Oberseite des außen-prismenförmigen Ambosses mehr als ein Strömungsmittelkanal vorgesehen, so dass die Strömungsmittelkanäle in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenartigen Ambosses stehen und mit einem Innengewinde ein Loch gebildet wird, das mit einem Außengewinde eines Werkzeugs zusammenpasst; mit anderen Worten steht das Loch mit dem hohlen Kanal so in Strömungsverbindung, dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal und zu dem Werkzeug fließen kann, das in dem Loch angebracht ist.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung eine Düse auswechselbar angebracht, wobei die Düse aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt wird, die aus einer Stahllegierung bestehen, deren HRC-Härte mindestens doppelt so hoch wie die Härte des oberen Deckels zur Strömungsmittelableitung ist.
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Vorzugsweise wird die Düse in dem Loch zur Strömungsmittelableitung mit Hilfe einer Klammer angebracht und werden der Innendurchmesser H am Auslass der Düse und der Innendurchmesser L am Einlass wie folgt ausgelegt: 0 < H ≤ L.
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Dazu ist eine Mechanik zur Kraftübertragung für ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welche Folgendes aufweist: eine innen-prismenförmige Hülse mit einem inneren Loch mit mehreckigem Profil, die innerhalb eines Außenrohres dadurch angebracht ist, dass das obere Ende der innen-prismenförmigen Hülse mit dem Außenrohr verbunden wird; sowie einen außen-prismenförmigen Amboss, der verschieblich im Innenloch der innen-prismenförmigen Hülse angebracht ist. Bei diesem Schlagwerk ist auf der Oberseite des außen-prismenförmigen Ambosses mehr als ein Strömungsmittelkanal so vorgesehen, dass die Strömungsmittelkanäle mit einem Hohlkanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses an dessen unterem Ende in Strömungsverbindung stehen, während mit dem Innengewinde ein Loch gebildet wird, um so für die Übereinstimmung mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug zu sorgen. Mit anderen Worten befindet sich das Loch mit dem hohlen Kanal in der Weise in Strömungsverbindung, dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem Werkzeug strömen kann, das in dem Loch angebracht ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Leistung bei der Kraftübertragung um 20% verbessert, da eine Gewinde-Berührungsfläche entfällt, wenn der Amboss und die untere Gelenkverbindung mit einander integriert sind, und um weitere 20%, weil der Übertragungsweg sich durch die Verkürzung der innen-prismenförmigen Hülse verkürzt. Deshalb wird gegenüber dem herkömmlichen Aufbau die Leistung bei der Kraftübertragung um 40% verbessert.
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Vorzugsweise weist außerdem das obere Ende des außen- prismenförmigen Ambosses eine kreisrunde kegelstumpfförmige Form auf, während ein oberer Teil des Ambosses, dessen Außenfläche dem oberen Ende benachbart ist, eine hohlzylindrische Form besitzt und ein unterer Teil des Ambosses aus einem Hohlkörper mit außen mehreckigem Profil besteht, der für den Eingriff mit dem Innenloch der innen-prismenförmigen Hülse vorgesehen ist, während das Loch in einem zylinderförmigen untersten Teil des Ambosses vorgesehen ist. Außerdem steht das obere Ende der innen- prismenförmigen Hülse in Gewindeeingriff mit dem Außenrohr.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist bei dem vorstehend beschriebenen Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb eine offene Hülse, die aus zwei halbkreisförmigen Stücken besteht, auf dem oberen Teil des außen-prismenförmigen Ambosses vorgesehen, der unter Belassung eines Spiels in Eingriff mit dem Außenrohr steht. Außerdem besitzen der Querschnitt des unteren Teils des außen-prismenförmigen Ambosses und der Querschnitt der innen-prismenförmigen Hülse vorzugsweise die Form eines herkömmlichen n-Ecks, bei dem n die Anzahl der Ecken bezeichnet und zwischen 3 und 10 liegt und vorzugsweise 8 beträgt.
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Außerdem beträgt das Verhältnis der Länge des inneren Lochs in der innen-prismenförmigen Hülse zum Durchmesser des Umkreises des vieleckigen Querschnitts der innen-prismenförmigen Hülse 0,7 bis 1,1 und liegt vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,0.
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Darüber hinaus weist der konische oberste Abschnitt des außen-prismenförmigen Ambosses eine Neigung von 25° bis 75° und vorzugsweise zwischen 45° und 75°. Daneben sind in dem Amboss vier Strömungsmittelkanäle vorgesehen.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist bei der mit Strömungsmittel betriebenen Mechanik eine Leerlaufmechanik in der Weise ausgebildet, dass zwischen der innen-prismenförmigen Hülse und der offenen Hülse in horizontaler Richtung ein ringförmiger Raum vorgesehen ist, so dass die Verschiebung des außen-prismenförmigen Ambosses in axialer Richtung durch die innen-prismenförmige Hülse in der Weise gesteuert wird, dass das Werkzeug und der außen-prismenförmige Amboss automatisch nach unten gleiten und dadurch der Schlaghammer nach unten gleitet, um die Energiezufuhr zu unterbrechen und zu verhindern, dass der Schlaghammer während des Leerlaufbetriebs auf den außen-prismenförmigen Amboss aufschlägt.
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Außerdem wird ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgeschlagen, welches Folgendes aufweist: eine außen liegende Hülse; ein Düsenelement, das im Inneren der außen liegenden Hülse angebracht ist und eine Vielzahl von Auslasslöchern aufweist; einen Zylinder, der innerhalb der außen liegenden Hülse angebracht ist und einen innen liegenden Hohlraum aufweist; einen oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung mit einer Vielzahl von Löchern, welche das Strömungsmittel ableiten; einen Kolben, der im Inneren eines Innenhohlraums des Zylinders angeordnet ist und den Innenhohlraum in einen oberen Hohlraum und einen unteren Hohlraum unterteilt; eine Kolbenstange, welche mit dem Kolben verbunden ist; einen unteren Zylinderdeckel mit einem Loch in seiner Mitte; einen Schlaghammer, welcher mit der Kolbenstange verbunden ist; und eine Mechanik zur Kraftübertragung, bei welcher der Zylinder mit einem seitlichen Kanal in seiner Außenwandung versehen ist, wobei der seitliche Kanal eine Strömungsverbindung zwischen einem der Auslasslöcher des Düsenelements und dem unteren Hohlraum ermöglicht. Bei dem Schlagwerk ist in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung im oberen Deckel zum Ableiten des Strömungsmittels eine Düse abnehmbar angebracht, welche aus einer Reihe von Düsen mit unterschiedlichen Innendurchmessern ausgewählt wird, die aus einer Stahllegierung bestehen, deren HRC-Härte mindestens doppelt so hoch ist wie die Härte des oberen Deckels zur Strömungsmittelableitung. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird die Lebensdauer der Löcher zur Strömungsmittelableitung verlängert und kann die Düse je nach unterschiedlichen Strömungsverhältnissen ausgetauscht werden.
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Außerdem wird die Düse in dem Loch zur Strömungsmittelableitung mittels einer Klammer oder eines Stifts angebracht und werden ein Innendurchmesser H am Auslass der Düse und ein Innendurchmesser L am Einlass wie folgt ausgelegt: 0 < H ≤ L.
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Überdies ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse; ein im Inneren der äußeren Bohrhülse eingebautes Düsenelement mit einer Vielzahl von Auslasslöchern; einen im Inneren der äußeren Bohrhülse angebrachten Zylinder mit einem Innenhohlraum; einen oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung mit einer Vielzahl von Löchern zum Ableiten von Strömungsmittel; einen Kolben, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders befindet und welcher den Innenhohlraum in einen oberen Hohlraum und einen unteren Hohlraum unterteilt; eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange; einen unteren Zylinderdeckel mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer, der mit der Kolbenstange verbunden ist; und eine Kraftübertragungsmechanik, bei welchem der Zylinder in seiner Außenwandung mit einem seitlichen Kanal versehen ist, mit dessen Hilfe eines der Auslasslöcher des Düsenelements in Strömungsverbindung mit dem unteren Hohlraum steht, und bei welchem die Mechanik zur Kraftübertragung einer der Mechaniken entspricht, die voranstehend beschrieben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erhöht sich die Leistung in der Kraftübertragung ganz erheblich.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Düse lösbar in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung angebracht und wird diese Düse aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt und besteht aus einer Stahllegierung, deren HRC-Härte mindestens dem Doppelten der Härte des oberen Deckels zur Strömungsmittelableitung entspricht.
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Die Düse ist dabei vorzugsweise in dem Loch zur Strömungsmittelableitung mit Hilfe einer Klammer oder eines Stifts angebracht, wobei ein Innendurchmesser H im Auslass der Düse und ein Innendurchmesser L im Zulauf wie folgt ausgelegt sind: 0 < H ≤ L.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb, wie voranstehend beschrieben, zum Bohrbetrieb in einer starren und einer brüchigen Erdformation ausgerichtet, deren Festigkeit höher als 5 ist, deren Druckfestigkeit 150 MPa beträgt und die eine Gesteinsbohrfähigkeit von mehr als 5 besitzt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend werden nun die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb gemäß dem Stand der Technik ist;
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2 eine Querschnittsdarstellung des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist, bei welcher der Bereich der Hauptdichtung gezeigt ist;
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3 einen Querschnitt durch den Zylinder und den seitlichen Kanal zeigt, der in 2 dargestellt ist;
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4 eine Ansicht des in 2 dargestellten Zylinders von der linken Seite ist;
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5 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 3 darstellt;
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6 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 3 zeigt;
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7 eine schematische Ansicht der aus Metall geschweißten Dichtungskonstruktion des seitlichen Kanals gemäß 1 ist;
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8 eine Schnittansicht der Kraftübertragungsmechanik gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
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9 einen Querschnitt entlang der Linie A'-A' gemäß 8 zeigt;
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10 einen Querschnitt entlang der Linie B'-B' gemäß 8 darstellt;
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11 eine Schnittansicht des oberen Deckels zur Strömungsmittelableitung zeigt;
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12 eine Schnittansicht einer einzelnen Düse ist; und
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13 die Ansicht des oberen Deckels zur Strömungsmittelableitung mit einer darin angebrachten Düse ist.
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Günstigste Möglichkeit zur Ausführung der Erfindung
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Nachstehend wird nun ausführlich auf die beiliegenden Zeichnungen zur Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung genommen. Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Teile oder einzelne Bestandteile mit der jeweils gleichen Funktion wie die Teile gemäß dem Stand der Technik entsprechend 1 mit den gleichen Bezugszeichen angegeben und hier nicht im Einzelnen beschrieben.
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Damit ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb nicht die Nachteile einer kurzen Lebensdauer aufweist, wird an der Hauptdichtung für das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung vorgenommen. Dabei ist das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb in seinem Aufbau oder seinen Merkmalen identisch mit dem in
CN 2385068Y beschriebenen Schlagwerk oder es weist die nachstehend aufgezeigten verbesserten technischen Merkmale bzw. den verbesserten Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Deshalb werden für das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb nur die Teile oder Einzelteile beschrieben, die mit der Hauptdichtung in Zusammenhang stehen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Kraftübertragungsmechanik, bei welcher der Kolben den inneren Hohlraum des Zylinders in einen oberen Hohlraum 15 und einen unteren Hohlraum 16 unterteilt. Der Zylinder 10 ist dabei mit einem seitlichen Kanal 17 in einem Teil seiner Außenwandung versehen, wobei der seitliche Kanal 17 eines der Auslasslöcher 90 des Düsenelements 9 in Strömungsverbindung mit dem unteren Hohlraum 16 bringt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der seitliche Kanal 17 auf der Außenwandung des Zylinders 10 in der Weise ausgebildet, dass auf der Außenwandung des Zylinders 10 eine im Wesentlichen C-förmige Vertiefung bzw. Nut ausgeformt ist, die jedoch zur innen liegenden Wandungsfläche der äußeren Bohrhülse hin geschlossen ist, was bedeutet, dass der seitliche Kanal von der innen liegenden Wandungsfläche der äußeren Bohrhülse 2 unter Abdichtung getrennt ist. Deshalb kann das in dem seitlichen Kanal 17 fließende Strömungsmittel nicht mit der Innenwandung der äußeren Bohrhülse in Berührung kommen.
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Die Dichtung ist in der Weise ausgebildet, dass ein bogenförmiges Metallteil mit einer angepassten Umfangslinie auf die C-förmige Vertiefung so aufgeschweißt wird, dass in der Innenwandung der äußeren Bohrhülse ein seitlicher Kanal in Form eines axialen Durchlasskanals gebildet wird. Im Gegensatz zu den Lösungen, die in
CN 2385068Y beschrieben werden, bei welcher O-förmige Dichtungsringe aus Gummi zwischen der Innenwandung der äußeren Bohrhülse
2 und der Außenwandung des Zylinders
10 vorgesehen sind, wird das Problem mit vorzeitiger Qualitätsverminderung oder Beschädigung infolge direkter Erosion an dem Wirbel überwunden, der sich infolge der übermäßig hohen Strömungsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit bildet. Darüber hinaus verlängert sich die Lebensdauer des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb und Düse ganz erheblich, da der Metallwerkstoff, der für die Hauptdichtung verwendet wird, leichter verschleißt als die Gummidichtung. Wie experimentell nachgewiesen wurde, kann die Standzeit des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb 70 bis 80 Stunden bei einem einzigen Einsatz erreichen.
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Die Ausbildung und der Aufbau des seitlichen Kanals 17 ist natürlich unter Umständen nicht darauf beschränkt. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird der seitliche Kanal 17 in der Außenwandung ausgeformt, was bedeutet, dass die Außenwandung des Zylinders 10 als Grenzflüche für den seitlichen Kanal 17 fungiert. Deshalb ist es vorteilhafterweise bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, dass der seitliche Kanal 17 sich in einfacher Weise herstellen lässt und damit die Kosten gesenkt werden können.
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Zusätzlich ist zu den Verbesserungen bei der Hauptdichtung entsprechend der Darstellung in 2 ein Dichtungsteil aus Metall für die Abdichtung in axialer Richtung zwischen dem Düsenelement 9 und dem oberen Deckel zur Strömungsmittelableitung am Zylinder 10 vorgesehen, wobei das Dichtungsteil aus Metall eine glatte Oberfläche besitzt. Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel ist in das Loch in der Mitte des unteren Zylinderdeckels 13 eine Kupferhülse 18 eingesetzt, welche die Kolbenstange 12 eng umschließt. Wenn sich die Kolbenstange nach oben und unten bewegt und den Schlaghammer in seine Schlagbewegung versetzt, steht die Kupferhülse in dichtendem Eingriff mit dem Kolben, um so zu verhindern, dass die Bohrflüssigkeit entlang der Kolbenstange austritt und gegebenenfalls den Schlaghammer umspült und angreift.
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Ferner ist eine Mechanik zur Kraftübertragung vorgesehen, welche die Leistung bei der Übertragung der Schlagenergie verbessert und Folgendes aufweist: eine innen-prismenförmige Hülse 5 mit einem innen ausgebildeten Loch, das ein mehreckiges Profil besitzt, welche im Inneren eines Außenrohrs 4 dadurch angebracht ist, dass das obere Ende der innen liegenden prismenartigen Hülse 5 mit dem Außenrohr 4 verbunden wird; einen außen-prismenförmigen Amboss 6 mit einem mehreckigen Außenprofil, der verschieblich in dem inneren Loch der innen-prismenförmigen Hülse 5 angebracht ist; mehr als ein Strömungsmittelkanal ist dabei an der Oberseite des außen-prismenförmigen Ambosses 6 so vorgesehen, dass die Strömungsmittelkanäle in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses 6 stehen und dass am unteren Ende des Ambosses 6 ein Loch mit einem eingeschnittenen Gewinde ausgebildet ist, das mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug wie zum Beispiel einem Bohrmeisen oder einem Kernbohrrohr zusammenpasst; mit anderen Worten steht das Loch in Strömungsverbindung mit dem hohlen Kanal, so dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem Werkzeug in dem Loch strömen kann.
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Nach der Theorie der Wellenübertragung wird die Schlagwelle auf den Grenzflächen reflektiert und büßt dabei einen Leistungsanteil von etwa 20% ein. Außerdem ist die Dämpfung der Schlagwerkwelle im Wesentlichen proportional zur Übertragungsstrecke. Um die Leistung in der Kraftübertragung zu verbessern, und dabei auch die Verringerung der Anzahl übertragender Teile und die Übertragungsdistanz zu berücksichtigen, sieht die Erfindung eine beträchtliche Verbesserung insofern vor, als der Amboss und die untere Gelenkverbindung nach dem Stand der Technik mit einander integriert sind und die innen-prismenförmige Hülse dementsprechend nach der Theorie der Wellenübertragung entsprechend verkürzt ist. Deshalb verbessert sich die Leistung bei der Übertragung von Kraft um 20%, weil die Schlagwelle nach der vorliegenden Erfindung eine Gewinde-Grenzfläche weniger als nach dem Stand der Technik weiterläuft, wenn der Amboss und die untere Gelenkverbindung mit einander integriert sind, und um weitere 20%, weil die Übertragungsstrecke wegen der Verkürzung der innen-prismenförmigen Hülse verkürzt wird. Deshalb wird im Vergleich zum früheren Aufbau die Leistung bei der Kraftübertragung um insgesamt mehr als 40% verbessert.
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Um ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb zu schaffen, bei welchem der gesamte obere Deckel zur Strömungsmittelableitung nicht ausgetauscht werden muss und somit die Betriebskosten des Schlagwerks bei Verbesserung der Arbeitsleistung gesenkt werden können, ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, wie es in den 11–13 dargestellt ist und das Folgendes umfasst: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 3 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Mechanik zur Kraftübertragung, bei welchem eine Düse 21 lösbar in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung angebracht ist und die Düse 21 aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt wird, die aus einer Stahllegierung mit einer HRC-Härte von über 60 hergestellt sind, zum Beispiel aus YG8, YG11, deren Härte nach HRC mindestens doppelt so hoch ist wie die Härte des oberen Deckels 8 zur Strömungsmittelableitung, so dass die Düse noch abriebfester als der obere Deckel zur Strömungsmittelableitung ist. Dabei sind der Innendurchmesser H am Auslass und der Innendurchmesser L am Einlass der Düse 21 wie folgt ausgelegt: 0 < H ≤ L.
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Entsprechend dem anderen Strömungsverhalten des Strömungsmittels können die Düsen mit anderem Innendurchmesser nach Bedarf in den Löchern zur Strömungsmittelableitung bei dem gleichen oberen Deckel 8 mit Strömungsmittelableitung angebracht werden. Hinsichtlich der Art und Weise, in der die Düsen in den Löchern zur Strömungsmittelableitung befestigt werden, gibt es keinerlei Einschränkung, so lange sich die Düse problemlos abbauen und austauschen lässt. Zum Beispiel wird die Düse 21 in dem Loch zur Strömungsmittelableitung mit Hilfe einer Klammer 22 oder eines Stiftes montiert. Die Verwendung einer auswechselbaren Düse verlängert die Lebensdauer der Löcher zur Strömungsmittelableitung durch die Verringerung des Abriebs an den Löchern. Außerdem lassen sich die Düsen problemlos auswechseln, um so eine Anpassung an ein anderes Strömungsverhalten des Strömungsmittels zu bewerkstelligen.
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Außerdem ist gemäß der Erfindung ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches die Leistung der der Energieübertragung verbessert und dadurch die Bohrgeschwindigkeit mit Hilfe einer weiterentwickelten Mechanik zur Kraftübertragung erhöht, wobei das Schlagwerk Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse
2; ein Düsenelement
9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern
90; einen Zylinder
10; einen oberen Deckel
8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben
11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders
10 befindet; eine Kolbenstange
12; einen unteren Zylinderdeckel
13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer
14 und eine Kraftübertragungsmechanik. Die Kraftübertragungsmechanik umfasst dabei Folgendes: eine innen-prismenförmige Hülse
5 mit einem inneren Loch mit mehreckigem Profil, welche im Inneren eines Außenrohres
4 dadurch angebracht wird, dass ein Außengewinde am oberen Ende der innen-prismenförmigen Hülse
5 mit einem Innengewinde am unteren Ende des Außenrohres
4 verbunden wird; und einen außen-prismenförmigen Amboss
6, der verschieblich im innen liegenden Loch der innen-prismenförmigen Hülse
5 angebracht ist. Bei der Mechanik zur Kraftübertragung ist mehr als ein Strömungsmittelkanal auf der Oberseite des außen-prismenförmigen Ambosses
6 vorgesehen, so dass die Strömungsmittelkanäle in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses
6 stehen. Am unteren Ende des Ambosses ist ein Loch mit einem Innengewinde ausgebildet, welches mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug zusammenpasst. Mit anderen Worten befindet sich das Loch in Strömungsverbindung mit dem hohlen Kanal, so dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem in dem Loch eingesetzten Werkzeug fließen kann. Im Vergleich zu der Mechanik zur Kraftübertragung, die in
CN 2385068Y offenbart wird, verringert sich der Verlust bei der Kraftübertragung und erhöht sich die Leistung dadurch, dass der Einsatz der unteren Gelenkverbindung nicht vorgesehen ist.
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Daneben ist bei Heranziehung des Ambosses und der unteren Gelenkverbindung entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel eine neue Maßnahme vorgesehen: eine offene Hülse 19, die aus zwei halbkreisförmigen Klammerteilen besteht, wie am oberen Teil des Ambosses 6 unter Belassung eines Spielraums gegenüber dem Außenrohr 4 aufgesetzt. Die Funktionsweise der offenen Hülse 19 ist dabei wie folgt: der Schlaghammer 14 entwickelt vollen Schub nach unten auf den Amboss 6, um so die Schlagkraftwelle auf Werkzeuge wie zum Beispiel den Bohrmeißel zu übertragen. Die innen liegende prismenartige Hülse 5 vereinfacht die Übertragung des Drehmoments während des Bohrbetriebs. Wenn der Bohrmeißel vom Grund des Bohrlochs abgehoben wird, da die innen-prismenförmige Hülse 5 die Verlagerung des Ambosses 6 in axialer Richtung begrenzt, gleiten der Bohrmeißel 6 und der Amboss 6 ungehindert nach unten, bis die offene Hülse 19 wieder auf der oberen Stirnfläche der innen-prismenförmigen Hülse 5 aufsetzt. Der Kolben 11 und der Schlaghammer 14 gleiten nun ihrerseits nach unten, um den Lauf der Kraftmechanik anzuhalten, um so ein Leerlaufen des Ambosses zu vermeiden. Die offene Hülse 19 vereinfacht die Befestigung, den Schutz, vermeidet den Leerlauf und verhindert eine Beschädigung und Verformung des Außenrohres 4.
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Ähnlich wie bei den in
CN 2385068Y offenbarten Vorrichtungen besitzt das obere Ende des Ambosses eine kreisförmige Kegelstumpfform oder ist in anderer Weise geformt, zum Beispiel mit einem Pilzkopf mit vier Strömungsmittelkanälen, die in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Amboss stehen. Andererseits ist zwischen dem Amboss und der innen-prismenförmigen Hülse
5 ein Dichtungsring
20 aus Gummi eingesetzt.
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Außerdem ist ein oberer Teil des außen-prismenförmigen Ambosses nahe dem oberen Ende als hohler zylindrischer Korpus ausgebildet. Ein Mittel- und Unterteil des Ambosses ist ein prismenartiger Korpus für den Eingriff mit einem innen vorgesehenen Loch der innen-prismenförmigen Hülse 5. Ein Teil des Ambosses, der am weitesten unten liegt, ist als hohler zylinderförmiger Korpus mit einem Loch ausgebildet. Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel sind der Querschnitt im unteren Teil des außen-prismenförmigen Ambosses 6 und der Querschnitt der innen-prismenförmigen Hülse 6 vorzugsweise in Form eines herkömmlichen n-Ecks ausgebildet, wobei n zwischen 3 und 10 liegt und vorzugsweise 8 beträgt.
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Des Weiteren beträgt das Verhältnis der Länge des inneren Lochs in der innen-prismenförmigen Hülse zum Durchmesser des Umkreises des vieleckigen Querschnitts der innen-prismenförmigen Hülse 0,7 bis 1,1 und liegt vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,0. Der oberste konische Abschnitt des außen-prismenförmigen Ambosses 6 besitzt eine Neigung von 25° bis 75°, vorzugsweise von 45° bis 75°.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet nahe liegend, dass sich bei dem Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifizierungen und Kombinationen vornehmen lassen, ohne dabei vom Erfindungsgedanken oder Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet und dabei den Innenhohlraum des Zylinders 10 in zwei Hohlräume unterteilt, nämlich einen oberen Hohlraum 15 und einen unteren Hohlraum 16; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Kraftübertragungsmechanik, bei welcher der Kolben 10 in einem Teil seiner Außenwandung einen seitlichen Kanal 17 aufweist, wobei der seitliche Kanal 17 es ermöglicht, dass eines der Auslasslöcher 90 des Düsenelements 9 in Strömungsmittelverbindung mit dem unteren Hohlraum 16 steht. Bei dem Schlagwerk ist der seitliche Kanal 17 auf der Außenwandung des Zylinders 10 in der Weise ausgebildet, dass eine im Wesentlichen C-förmige Vertiefung, die zu der inneren Wandungsfläche der äußeren Hülse hin geschlossen ist, in der Außenwandung des Zylinders ausgebildet ist, und zwar ist dadurch der seitliche Kanal 17 unter Abdichtung von der Innenwandung der äußeren Bohrhülse 2 getrennt.
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Die Mechanik zur Kraftübertragung weist dabei Folgendes auf: eine innen-prismenförmige Hülse 5 mit einem innen liegenden Loch mit mehreckigem Profil, das im Inneren eines Außenrohres 4 dadurch angebracht wird, dass das Außengewinde am oberen Ende der innen-prismenförmigen Hülse 5 mit dem Innengewinde am unteren Ende des Außenrohres 4 verbunden wird; einen außen-prismenförmigen Amboss 6 mit einem mehreckigen Außenprofil, der verschieblich in dem innen liegenden Loch der innen-prismenförmigen Hülse 5 angebracht ist; mehr als nur einen Strömungsmittelkanal, der am oberen Ende des außen-prismenförmigen Ambosses 6 so vorgesehen ist, dass die Strömungsmittelkanäle mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses 6 in Strömungsverbindung stehen und dass ein Loch am unteren Ende des Ambosses 6 mit einem Innengewinde ausgebildet ist, das mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug zusammenpasst; mit anderen Worten steht dabei das Loch in Strömungsverbindung mit dem hohlen Kanal in der Weise, dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem in das Loch eingesetzten Werkzeug strömen kann. Dabei wird die Arbeitsleistung verbessert und erhöht sich die Leistungsfähigkeit bei der Übertragung der Schlagkraft infolge der Verbesserung an der Hauptdichtung.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes umfasst: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet und dabei den Innenhohlraum des Zylinders 10 in zwei Hohlräume unterteilt, nämlich einen oberen Hohlraum 15 und einen unteren Hohlraum 16; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Kraftübertragungsmechanik, wobei der Zylinder in einem Teil seiner Außenwandung mit einem seitlichen Kanal 17 versehen ist, welcher eine Strömungsverbindung zwischen einem der Auslasslöcher 90 des Düsenelements 9 und dem unteren Hohlraum 16 ermöglicht. Bei dem Schlagwerk ist der seitliche Hohlraum 17 auf der Außenwandung des Zylinders 10 in der Weise ausgebildet, dass eine im Wesentlichen C-förmige Vertiefung, die zur inneren Wandungsfläche der äußeren Hülse hin verschlossen ist, in der Außenwandung des Zylinders ausgebildet ist, was bedeutet, dass der seitliche Kanal 17 unter Abdichtung von der Innenwandung der äußeren Bohrhülse 2 getrennt ist. In einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung ist eine Düse 21 lösbar angebracht, wobei die Düse 21 aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt wird und aus einer Stahllegierung besteht, deren HRC-Härte mindestens dem Doppelten der Härte des oberen Deckels 8 zur Strömungsmittelableitung entspricht. Deshalb verlängert sich die Lebensdauer der Hauptdichtung und da die Düsen je nach den Strömungsverhältnissen des Strömungsmittels auswechselbar sind, lässt sich die Betriebsleistung erhöhen.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes umfasst: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Kraftübertragungsmechanik. Die Mechanik zur Kraftübertragung weist dabei Folgendes auf: eine innen-prismenförmige Hülse 5 mit einem innen liegenden Loch mit mehreckigem Profil, die im Inneren eines Außenrohres 4 dadurch angebracht wird, dass das Außengewinde am oberen Ende der innen-prismenförmigen Hülse 5 mit dem Innengewinde am unteren Ende des Außenrohres 4 verbunden wird; einen außen-prismenförmigen Amboss 6, der verschieblich in dem innen liegenden Loch der innen-prismenförmigen Hülse 5 angeordnet ist; mehr als nur einen Strömungsmittelkanal, der am oberen Ende des außen-prismenförmigen Ambosses 6 so ausgebildet ist, dass die Strömungsmittelkanäle in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses 6 stehen, während am unteren Ende des Ambosses 6 ein Loch mit einem Innengewinde ausgebildet ist, welches mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug zusammenpasst; mit anderen Worten steht dabei das Loch in Strömungsverbindung mit dem hohlen Kanal in der Weise, dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem in das Loch eingesetzten Werkzeug strömen kann.
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Eine Düse 21 ist dabei lösbar in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung angebracht ist und die Düse 21 wird aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt, die aus einer Stahllegierung mit einer HRC-Härte hergestellt sind, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Härte des oberen Deckels 8 zur Strömungsmittelableitung. Deshalb verlängert sich die Lebensdauer des Lochs zur Strömungsmittelableitung und sind die Düsen je nach den Strömungsverhältnissen zur Strömungsmittelableitung auswechselbar, wodurch sich die Leistung bei der Übertragung der Schlagenergie, also die Betriebsleistung, erhöht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine äußere Bohrhülse 2; ein Düsenelement 9 mit einer Vielzahl von Auslasslöchern 90; einen Zylinder 10; einen oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung; einen Kolben 11, der sich im Inneren des Innenhohlraums des Zylinders 10 befindet; eine Kolbenstange 12; einen unteren Zylinderdeckel 13 mit einem Loch in der Mitte; einen Schlaghammer 14 und eine Kraftübertragungsmechanik. Die Mechanik zur Kraftübertragung weist dabei Folgendes auf: eine innen-prismenförmige Hülse 5 mit einem innen liegenden Loch mit mehreckigem Profil, die im Inneren eines Außenrohres 4 dadurch angebracht wird, dass das Außengewinde am oberen Ende der innen-prismenförmigen Hülse 5 mit dem Innengewinde am unteren Ende des Außenrohres 4 verbunden wird; einen außen-prismenförmigen Amboss 6, der verschieblich in dem innen liegenden Loch der innen-prismenförmigen Hülse 5 angeordnet ist; mehrere Strömungsmittelkanäle, die am oberen Ende des außen-prismenförmigen Ambosses 6 so ausgebildet sind, dass die Strömungsmittelkanäle in Strömungsverbindung mit einem hohlen Kanal im Inneren des außen-prismenförmigen Ambosses 6 stehen, während am unteren Ende des Ambosses 6 ein Loch mit einem Innengewinde ausgebildet ist, welches mit einem Außengewinde auf einem Werkzeug zusammenpasst; mit anderen Worten steht dabei das Loch in Strömungsverbindung mit dem hohlen Kanal in der Weise, dass die Bohrflüssigkeit durch die Strömungsmittelkanäle und den hohlen Kanal zu dem in das Loch eingesetzten Werkzeug strömen kann.
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Dabei ist eine Düse 21 lösbar in einem der Löcher zur Strömungsmittelableitung in dem oberen Deckel 8 zur Strömungsmittelableitung angebracht, wobei die Düse 21 aus einer Reihe von Düsen mit verschiedenen Innendurchmessern ausgewählt wird, die aus einer Stahllegierung mit einer HRC-Härte hergestellt sind, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Härte des oberen Deckels 8 zur Strömungsmittelableitung.
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Bei dem Schlagwerk ist der seitliche Kanal 17 auf dem Umfang des Zylinders 10 in der Weise ausgebildet, dass eine im Wesentlichen C-förmige Vertiefung, die zur innen liegenden Wandungsfläche der äußeren Bohrhülse hin geschlossen ist, in der Außenwandung des Zylinders ausgebildet ist, was bedeutet, dass der seitliche Kanal 17 unter Abdichtung von der Innenwandung der äußeren Bohrhülse 2 getrennt ist. Damit verlängert sich die Lebensdauer der Hauptdichtung und vergrößert sich das Loch zur Strömungsmittelableitung, während die Düsen entsprechend den Strömungsverhältnissen des Strömungsmittels austauschbar sind, wodurch sich die Betriebsleistung verbessert.
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Daneben ist entsprechend der Erfindung die Verwendung des Schlagwerks mit Strömungsmittelantrieb vorgesehen. Das Schlagwerk wird zum Bohren in starren und brüchigen Bodenformationen mit einer Steifigkeit von über 5, einer Druckfestigkeit von 150 MPa und einer Gesteinsbohrfähigkeit von über 5 eingesetzt. Da ein erfindungsgemäßes Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb und mit Düsen eine stärkere Wirkung bei der Übertragung der Schlagenergie und eine längere Lebensdauer bei einem einzigen Einsatz besitzt, ist es für die vorgenannten Bodenformationen besonders gut geeignet.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das Schlagwerk mit Strömungsmittelantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders für den Einsatz in Industriebereichen wie der Erdölindustrie ausgelegt. Die Mechanik zur Kraftübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich bei dem Schlagwerk mit Düsen, dem Schlagwerk mit positivem Antrieb, einem Schlagwerk mit negativem Antrieb, einem Schlagwerk mit Ventil-Doppelantrieb, sowie bei einem Schlagwerk mit Düsen- und Saugantrieb und anderen Schlagwerktypen einsetzen.
