DE1066514B - Bohrturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine vor Ort über dem Meißel angeordnete Bohrturbine. Tiefe Bohrlöcher in Erde durchfahren stets zahlreiche Gesteinsschichten, die nur selten waagerecht liegen und meistens mit mehr oder weniger großem Winkel gegenüber der Waagerechten einfallen. Außerdem haben die verschiedenen Gesteinsschichten stark unterschiedliche Härten und Festigkeitseigenschaften, so daß der erforderliche Druck zum Durchbohren sehr verschieden ist, infolgedessen weichen die Bohrlöcher an solchen Übergangsstellen zwischen schrägliegenden Gesteinsschichten von der vorher eingehaltenen Bohrlochrichtung ab.

Bei den bekannten Rotary-Bohrgeräten werden normalerweise sogenannte Schwerstangen verwendet. Das sind besonders dickwandige Bohrgestängestangen, denen im allgemeinen bereits eine gewisse stabilisierende Wirkung zugeschrieben wird. Diese Schwerstangen werden aus einzelnen Stangen zusammengeschraubt; der ganze Schwerstangenstrang ist oftmals sehr lang. Es kommen Längen vor zwischen 50 und 200 m.

In tiefen Bohrlöchern beträgt der Bohrdruck am Bohrer gewöhnlich einen Bruchteil des Gestängegewichtes. Darum wird das Gestänge über Tage so weit angehoben, daß nur ein Teil des Gewichtes ausgeglichen ist und der übrige Teil als Bohrdruck am Bohrer verbleibt. Damit entsteht am Gestänge eine Zone, in der weder eine Zugkraft noch eine Druckkraft vorhanden ist. Bei der Verwendung von Schwerstangen liegt diese Zone sehr tief, oftmals sogar innerhalb des Schwerstangenstranges. Dies ist auch beabsichtigt, denn durch die Schwerstangen wird der darüberliegende Bohrgestängestrang straff gehalten.

Bohrgestänge und Schwerstangen sind niemals so steif, daß sie nicht aus der geraden Achsenrichtung abweichen könnten. Diese Abweichung aber verursacht ein Taumeln der einzelnen Teile des Gestänges und der Schwerstangen, und zwar jeweils zwischen den Stellen, an denen eine Durchbiegung stattfindet. Diese abweichenden Teilstränge verursachen am Bohrer ebenfalls ein Taumeln, so daß der Bohrer sehr labil arbeitet. Die Erfahrung hat dann auch gezeigt, daß bei Verwendung von Schwerstangen die Bohrlöcher keinesfalls gerader werden.

Man könnte die beabsichtigte Stabilisierungswirkung dadurch herbeiführen, daß man an den Verschraubungsstellen der Schwerstangen jedesmal ein Führungsstück vorsieht. So zahlreiche Führungsstücke im Bohrloch sind jedoch umständlich, führen Energieverluste herbei und können auch zu Störungen Anlaß geben.

Man spricht sogar davon, daß Schwerstangen eine Kreiselwirkung haben. Bei der Elastizität der Schwerstangen jedoch hat diese Kreiselwirkung eine der Bohrturbine

Anmelder:

Salzgitter Maschinen Aktiengesellschaft,
Salzgitter-Bad

Ralen Joannessjan, Moskau, ist als Erfinder genannt worden

Stabilisierung entgegengesetzte Wirkung. Da die einzelnen Schwerstangenabschnitte zwischen den durch Verbiegung am Bohrloch anliegenden Stellen aus der generellen Bohrlochachse abweichen, entsteht bei einer vorliegenden Kreiselwirkung Elongation. Infolge dieser gänzlich unbeabsichtigten Kreiselwirkung wird das Abweichen des Bohrers bzw. sein »Taumeln« sogar wirksam unterstützt, so daß die notwendige Stabilisierung durch Schwerstangen nicht eintreten kann.

Das Ziel der Erfindung ist, ein unbeabsichtigtes Abweichen der Bohrlochachse an Schichtübergängen wirksam zu vermeiden. Das geschieht nach der Erfindung dadurch, daß zum Ausgleich der auf den Meißel wirkenden seitlichen Ablenkkräfte die den Meißel tragende Turbinenwelle mit einer Schwungmasse als Stabilisator versehen ist.

Es hat sich ergeben, daß bei Drehzahlen, wie sie unter Verwendung von Bohrturbinen in den Bohrlöchern vorkommen, eine Masse von etwa 2 t ausreicht, um die erforderliche Stabilisierung zu gewährleisten und hinreichend große Bohrlöcher bohren zu können. Die Schwungmasse und die Motorwelle können aus einem Stück bestehen. Sie kann aber auch als gesonderter Körper auf der Motonvelle angeordnet sein. Zweckmäßig ist dabei die Schwungmasse als Hülse ausgebildet.

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ergibt sich aus dem Kräftespiel, wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. a-b ist die ursprüngliche und auch weiterhin gewünschte Richtung des Bohrloches. An den schrägen Schichtengrenzen c-d weicht bei der herkömmlichen Art des Bohrens die Bohrlochachse in h ab. Ist oben hartes und unten weiches Gestein (Fig. 1), so besteht beim Bohren im Schichtenübergang auf der Bohrlochsohle links der höhere Gegendruck f gegen den Bohrer und rechts der geringere Gegendruck e. Im Bohrer und Bohrgestänge 3 und 2 entsteht dadurch ein rechtsdrehendes Kräftepaar g\-g2, das das Ge-

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stange 2 verbiegt und das Bohrloch in Richtung h abweichen läßt.

In Fig. 2 wird gezeigt, wie das Bohrloch nach rechts abweichen muß, wenn unter sonst gleichen Umständen die obere Gesteinsschicht weich und die darunterliegende hart ist.

Dieses Abweichen von Bohrlöchern wird nach der vorliegenden Erfindung durch Kreiselwirkung verhindert. Die Wirkungsweise ist in Fig. 3 dargestellt.

Auf der Achse k sitzt die umlaufende Masse m. Der Kreisel ist mit seinen Lagerspitzen in ο und p gelagert. Jeder Kreisel, der in schnelle Umdrehungen versetzt wird, hat das Bestreben, seine Drehachse beizubehalten, Wird von außen her, d. h. durch die Lager ο und p, der Kreiselachse ein Drehmoment gl-g2 aufgezwungen, so entsteht in der Kreiselmasse ein Kräftespiel, aus dem ein entgegengerichtetes Kräftepaar il-t"2 resultiert. Dieses Kräftepaar verhindert das Ausweichen der Kreiselachse in Richtung des Kräftepaares §Ί-£2.

Die physikalischen Gesetze, nach denen dieses Kräftespiel vor sich geht, sind bekannt. Wichtig ist lediglich, daß

1. eine genügend große Masse diese Kreiselwirkung ausübt,

2. die Drehzahl von Masse, Bohrgestänge und Bohrer hoch genug ist und

3. Kreisel und Bohrgestänge so steif sind, daß sie sich nicht durchbiegen können.

Die Drehzahl beträgt beim Bohren mit Bohrturbinen etwa 400 bis 800. Dadurch erst wird es möglich, bei dieser Art des Bohrens die Stabilisierung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich anzuwenden; denn bei dem herkömmlichen Bohren beträgt die Drehzahl nur SO bis 250, so daß wesentlich größere Kreiselmassen erforderlich wären, die kaum im Bohrloch unterzubringen sind. Aus demselben Grund kann beim Turbinenbohren das Gestänge mit der Kreiselmasse zwischen Turbine und Bohrer so steif ausgeführt werden, daß keine Durchbiegung erfolgt, Schwerstangen, die beim herkömmlichen Bohren verwendet werden, können die gewünschte Kreiselwirkung nicht ausüben. Sie sind viel zu lang und biegen sich durch, so daß die Bohrlöcher nicht in dem gewünschten Sinne gerade bleiben. Es ist auch bekannt, daß die notwendigen Stabilisierungswirkungen bei Schwerstangen nicht erreicht werden, wenn man dieselben durch Führungen in der Mitte des Bohrloches hält. Es ist vielmehr notwendig, die Seitenkräfte aufzuheben; dazu dient der vorbeschriebene Kreisel.

Nachstehend ist die einfachste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Diese betrifft bei Bohrturbinen die zur Zeit meistgebauten Typen. Solche Bohrturbinen haben, wie es für die Funktion des Erfindungsgegenstandes notwendig ist, eine hohe Drehzahl.

Bei Turbinen und anderen Vor-Ort-Antriebsmaschinen für Tiefbohrer mit kleineren Drehzahlen würden zur Erzielung der gleichen Stabilisierungswirkung unverhältnismäßig große Kreiselmassen notwendig sein. In einem solchen Fall kann man die Kreiselmassen unabhängig von der Turbinenwelle 2 umlaufen lassen und in dem dann notwendig werdenden Getriebe zwischen der Turbine 1 und der Kreiselmasse eine Übersetzung ins Schnelle vorsehen.

Auf diese Weise ist es möglic& aucb bei relativ

langsam umlaufenden Bohrern, was gelegentlich aus bohrtechnischen Gründen gewünscht werden könnte, eine Stabilisierung mit einer Anlage gemäß Erfindung vorzusehen.

Der Aufbau der Vorrichtung ist in den Fig. 4 bis 7 veranschaulicht.

1 ist die zum Antrieb des Bohrers 3 dienende Bohrturbine, die im Bohrloch 7 unmittelbar über der Bohrlochsohle arbeitet. 2 ist die Turbinenwelle, mit der von der Turbine 1 das Drehmoment über den Bohrer 3 übertragen wird. 4 ist die umlaufende, als Kreisel wirkende Masse, welche in Fig. 4 nach dem Schnittbild 5 lediglich eine Verdickung der Turbinenwelle 2 und somit einen massiven Körper darstellt. Fig. 5 zeigt dagegen beispielsweise, daß diese, als Kreisel wirkende, umlaufende Masse auch zusätzlich auf dem Bohrgestänge 2 mit üblichen technischen Mitteln angebracht werden kann.

In der Regel wird die umlaufende Masse aus Stahl bestehen. Bei den gebräuchlichen Bohrlochdurchmessern lassen sich dann Kreisel in der Länge von etwa 7 bis 15 m unterbringen. Es können jedoch außer Stahl auch andere Materialien zum Aufbau der umlaufenden Masse verwendet werden, sofern man die hohen Kosten dafür aufwenden will. In Betracht kommt Wolfram, das ein 2V2inal so hohes spezifisches Gewicht aufweist als Stahl. In dem Fall wird der Kreisel kürzer.

Da mit dem Kreisel das im Bohrloch befindliche Gerät 1, 2, Z, 4 in Fig. 4 unter Beibehaltung der Achsenrichtung wandern könnte, ist unmittelbar oberhalb dieses Gerätes eine Führung angeordnet. Diese sitzt auf dem nicht an der Drehung des Bohrers 3 teilnehmenden Gestänge 8; es besteht aus an sich bekannten Elementen, die sich mit leichtem Druck gegen die Bohrlochwand 7 anlegen. Dadurch wird die Gerätachse genau in der Mitte des Bohrlochs gehalten. In Fig. 4 besteht diese Führung aus spiralförmigen Rippen 9, in Fig. 6 aus Rollen 10, die achsparallel oder schräg zur Achse stehen können. In Fig. 7 besteht die Führung aus einem Ring 11, der durch zeichnerisch nicht dargestellte Rippen auf dem Gestänge 8 befestigt ist.

Es ist nicht notwendig, daß bei Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung der Antrieb des Bohrers 3 durch eine »Vor-Ort-Bohrturbine« erfolgt. Es kann jede beliebige Kraftmaschine an jeder beliebigen Stelle des Gestänges, auch über Tage, zur Anwendung kommen, wenn nur die genannten Vorbedingungen für die Funktion des Kreisels gegeben sind.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vor Ort über dem Meißel angeordnete Bohrturbine, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der auf den Meißel wirkenden seitlichen Ablenkkräfte die den Meißel tragende Turbinenwelle (2) mit einer Schwungmasse als Stabilisator (4) versehen ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschriften Nr. 2 126 075, 2 248100.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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