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Aus mehreren Sektionen zusammengesetzter Bohrmotor für Erdtiefbohrungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen im Bohrloch unmittelbar über dem Bohrwerkzeug
angeordneten, aus mehreren Sektionen zusammengesetzten Drehbohrmotor für Erdtiefbohrungen,
mit in einem rohrförmigen Gehäuse drehbar gelagerter Antriebswelle für das Bohrwerkzeug.
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Bekanntlich haftet dem Rotary-Bohren der grundsätzliche Nachteil an,
daß die Antriebsleistung mit einem geringen Wirkungsgrad von übertägigen# Motoren
über ein langes, als Welle dienendes Bohrgestänge dem Bohrwerkzeug auf der Sohle
zugeführt wird. Um diese verfahrensbedingte Unzulänglichkeit in der Übertragung
der Antriebsleistung auszuschalten, ist während der letzten dreißig Jahre ein Bohrverfahren
entwickelt worden, bei dem der Antrieb von einem elektrisch oder hydraulisch angetriebenen
Drehbohrmotor (Turbine) aus erfolgt, der im Bohrloch selbst unmittelbar über dem
Meißel am Gestänge angebracht wird. Bei de-i- hydraulischen Turbine durchfließt
der Spülungsstrom die Laufkanäle der Turbine und versetzt ihren Rotorteil und damit
das Bohrwerkzeug in Umdrehung. Um ein für bestimmte Anforderungen optimales Verhältnis
zwischen Drehmoment und Drehzahl zu erreichen, werden in jüngster Zeit diese #;ogenannten
Bohrturbinen aus mehreren Sektionen zusammengesetzt, wodurch eine erhebliche Steigerung
der Bohrleistung erzielt wird.
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Hierzu wurde auch schon vorgeschlagen, für das ce (Y zielte oder gerichtete
Bohren, das insbesondere in den Fällen angewandt wird, bei denen es nicht möglich
ist, die zu erbohrende Stelle unter Tage mittels einer einfachen vertikalen Bohruno,
zu erreichen, beispielsweise, wenn diese Stelle sich up.' er einem See, unte- Wohnsiedluncren,
unter Industrieanlagen od. dgl. befindet, über der Turbine am unteren Ende des Gegänges
ein gekrümmtes Gestängerohr oder übergangsstück anzuordnen, das an der Abweichunosstelle
von der Vertikalen gegen die Bohrlochwandunor anliegt, wodurch das Bohrwerkzeuo,
gegen die gegenüberliegende Wand geführt wird, so daß der Meißel allmählich in der
gewünschten, von der Vertikalen abweichenden Richtung ins Gebirge eindringt. Bei
dieser Einrichtung ist aber infolge der relativ großen Länge g der Bohrturbine der
Abstand zwischen dem Meißel und der Stelle, an der das gekrümmte Geuängerohr oder
übergangsstück an der Bohrlochwand anliegt, verhältnismäßig groß und daher die Führung
des Bohrwerkzeuges ungenügend, so daß insbesondere bei ungleichmäßiger Härte des
Gebirges die Ablenkung des Meißels in die gewünschte Richtung nicht im gewünschten
Ausmaß g gegeben ist.
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Gemäß einem anderen bekannten Vorschlag ist am unteren Teil der Turbine
über dem Meißel ein Gleitschuh angeordnet, der sich geg.,en die Bohrlochwand abstützt
und dadurch eine konstante, zur Bohrlochachse senkrecht stehende Kraft auf den Meißel
ausübt, die den Meißel in der gewünschten Richtung von der Vertikalen ablenken soll.
Infolge der mit gerader Achse ausgebildeten verhältnismäßig langen Bohrturbine muß
der Ablenkwinkel aus derVertikalen verhältnismäßig klein gehalten werden bzw. muß,
um ein eventuell die Wirkung, der Turbine beeinträchti-"endes, Cr zu starkes Durchbiegen
derselben zu vermei den, das Bohrloch mit wesentlich größerem Duzchmesser als der
Durchmesser der Turbine ausgebildet werden.
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Die Erfindung, gibt nun für einen zwischen Gestänge und Bohrwerkzeug
angeordneten, aus mehreren Sektionen zusammengesetzten Bohrmotor, mit in einem rohrförmigen
Gehäuse drehbar gelagerter Welle eine neue Lösung an, die eine sichere Führung des
Bohrwerkzeuges gewährleistet und bei verhältnismäßig nur wenig größerem Durchmesser
des Bohrloches gegenüber dem Durchmesser des Bohn-notors einen verhältnismäßig großen
Ablenkwinkel zuläßt, und besteht in dem Vorschlag, das Gehäuse und/oder die Welle
im Bereich des Antriebsaggregates wenigstens einfach abzuwinkeln. Dabei kann der
Bohrmotor eine vielstufige hydraulische Bohrturbine oder auch ein elektrischer Motor
sein.
Für einen beispielsweise als hydraulische Bohrturbine ausgebildeten
Bohrmotor mit abgewinkeltem Gehäuse und abgewinkelter Welle wird in zweckmäßiger
Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Abwinkelung an der Verbindungsstelle
oder im Bereich der Verbindungsstelle zweier mit Lauf- und Leitradbeschaufelung
versehener sogenannter Motorsektionen vorzunehmen. Ebenso-ut kann die Abwinkelung
aber auch an der Verbindungsstelle oder im Bereich der Verbindungsstelle der beiden
untersten Sektionen erfolgen. Dabei kann die unterste Sektion mit der gesamten Spurlagerung
als sogenannte Lagersektion ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, daß die
Abwinkelung etwa in der Mitte der Motor-oder Lagersektion vorgenommen wird.
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Eine zweckmäßi-e und einfache Ausbildun- der erfindungsgemäßen Einrichtung
läßt sich dadurch erreichen, daß wenigstens zwei aufeinanderfolgende Sektionen des
Bohrmotors mittels eines besonderen Zwischenstücks miteinander verbunden werden
und daß das Gehäuse und die Welle an wenigstens einer der beiden Verbindungsstellen
mit den anschließenden Sektionen im Bereich dieses Zwischenstücks selbst abeewinkelt
wird. Eine besonders einfache Ausbildung ergibt sich beispielsweise dann, wenn das
Zwischenstück etwa als kurzes gerades Rohrstück ausgebildet wird, das an wenigstens
einer Stimfläche schräg abgeschnitten ist. Dabei brauchen dann die einzelnen Wellenstücke
nur etwa mittels einer einfachen winkelbeweglichen Steck- oder Zahnkupplung miteinander
verbunden werden, um auch die gewünschte Abwinkelung der Welle zu erreichen.
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Bei starker Knick-ung der Welle ist es vorteilhaft, oberhalb der Knick-stelle
der Welle zur Aufnahme des Achsschubes und unterhalb zur Aufnahme des axialen Bohrdruckes
Axiallager anzuordnen, so daß die Sektionen von Biegeschwingungen entlastet werden.
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Eine Möglichkeit, die gewünschte Ablenkung des Bohrwerkzeuges zu erreichen,
ergibt sich auch für einen Bohrmotor mit nur abaewinkelter Welle. Hierzu wird vorgeschlagen,
die Welle an der Verbindungsstelle oder im vorzugsweise unmittelbaren Bereich der
Verbindungsstelle der untersten Sektion, die etwa als Lagersektion ausgebildet sein
kann, mit der zweituntersten, etwa als Turbinensektion ausgebildeten Sektion oder
aber im Bereich der Verbindungsstelle der untersten Sektion mit dem Bohrwerkzeug
einfach abzuwinkeln. Hierzu ist im Gehäuse der Sektion eine besondere schrägeingesetzte
Führung bzw. Lagerung erforderlich, so daß die Gehäuse- und die Wellenachse dieser
Sektion einen Winkel von wenigen Grad miteinander einschließen. Als zweckmäßig kann
es sich erweisen, an der untersten Sektion auf der der Ablenkrichtung entgegengesetzten
Seite noch eine Führungsleiste od. dgl. vorzusehen, wodurch sich eine noch bessere
Führung des Bohrwerkzeuges in der ge-C wünschten Ablenkrichtun erzielen läßt.
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Die einzelnen Sektionen des Bohrinotors sind, wie bekannt, als voneinander
trennbare und einzeln ein-und ausbaubare Sektionen ausgebildet, so daß sie, leicht
auswechselbar sind und dadurch die Möglichkeit gegeben ist, den Bohrmotor immer
leicht an die gegebenen Verhältnisse anzupassen, insbesondere dann, wenn sie auch
noch als selbständig einsatzfähige und unter sich austauschbare Sektionen ausgebildet
sind. Die sichere Verbindung zwischen dei einzelnen Sektionen erfolgt dabei zweckmäßig
mittels einfacher bekannter Verriegelung. Die Erfindung ist in der Zeichnung in
mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigt Fig.
1 ein Ausführungsbeispiel eines aus vier S2ktionen zusammengesetzten, im
Bereich der Verbindungsstelle zwischen zwei Sektionen abgewinkeiten Drehbohrmotors,
Fig. 2 in einem Ausschnitt aus Fig. 1 den Bereich der Abwinkelung in einem
Ausführungsbeispiel in vergrößertem Maßstab im Schnitt, Fig. 3 in einem Ausschnitt
aus Fig. 1 den Bereich der Abwinkelung in einem weiteren Ausführungsbelspiel
in vergrößertem Maßstab im Schnitt, Fio,. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines aus vier Sektionen zusammengesetzten, mittels eines zwischen zwei Sektionen
angeordneten Zwischenstückes abgewinkelten Drehbohrmotors, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel
des Zwischenstückes gemäß Fig. 4 in vergrößertem Maßstab im Schnitt, Fig.
6 die schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Zwischenstückes
gemäß Fig. 4, Fig. 7 die schematische Darstellung eines weitere.-1 Ausführungsbeispiels
des Zwischenstückes gemäß Fig. 4, Fig. 8 schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines aus vier Sektionen zusammengesetzten, mittels eines zwischen zwei Sektionen
angeordneten, als kurzes gerades Rohrstück ausgebildeten Zwischenstückes einfach
abgewinkelten Drehbohrmotors, Fig. 9 in einem weiteren Ausführungsbeispiel
einen Drehbohnnotor mit nur abgewinkelter Welle und einer Führunggsleiste an der
untersten Sektion des geraden Gehäuses.
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Nach Fig. 1 schließt der aus den vier Sektionen 2 bis
5 zusammengesetzte Bohrmotor an das Bohr-P Cr stänge 1 an und weist
an seinem unteren Ende das Bohrwerkzeug 6 auf. Das Bohrmotorgehäuse ist im
Bereich der Verbindung zwischen den Sektionen 2 und 3 einfach abgewinkelt.
Es könnte aber auch im Bereich der Verbindung zwischen zwei beliebigen anderen Sektionen
einfach oder im Bereich mehrerer Verbindungen zwischen je zwei Sektionen,
also mehrfach abgewinkelt werden.
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Nach Fig. 2 sind das Gehäuse 7 der Sektion 2 und das Gehäuse
8 der Sektion 3 an ihren Enden, dem Zapfen 9 bzw. der Muffe
10, mit leicht konischen Gewinden versehen und mittels dieser ineinander-eschraubt.
Während beim Gehäuse 7 die Gewinde achse und die Gehäuseachse miteinander
genau übereinstimmen, sind beim Gehäuse 8 die Gewindeachse und die
Gehäuseachse um einen der gewünschten Abwinkelung des Bohnnotorgehäuses entsprechenden
kleinen Winkel gegeneinander geneigt und ist die Stirnfläche des Gehäuses
8 in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene ausgebildet, wodurch nach dem
Zusammenschrauben der Gehäuse 7 und 8 diese leicht gegeneinander geneigt
sind, d. h., das Bohrmotorgehäuse in der Berührungsebene 11 in dem
gewünschten Maße abgewinkelt ist. Die Abwinkelung der Bohrmotorwelle ist durch die
Verbindung der in den Gehäusen 7 und 8 koaxial zu diesen gelagerten
Wellenstücke 12 und 13 mittels der auf ihnen be-
festigten Kupplungsstücke
14 und 15 bewirkt, welche auch die infolge Umlaufens der Bohrmotorwelle erforderliche
Winkelbeweglichkeit der Wellenstücke 12 und 13 gegeneinander zulassen. Durch
entsprechcndes
Bemessen der Länge der Kupplungsstücke 14 und
15, die hier als einfache Zahnkupplungshälften ausgebildet 0, sind, kann
die Knickstelle der Bohrmotor welle an beliebiger Stelle innerhalb der axialen Erstreckung
der konischen Gewinde oder auch außerhalb derselben angeordnet werden. Beispielsweise
kann dadurch die Knickstelle der Bohrmotorwelle in die Ebene der Knickstelle des
Bohrmotorgehäuses, hier also in die Berührungsebene 11, gelegt werden.
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Nach Fio,. i, die eine weitere Ausführungsmöglichkeit für die
Abwinkelung des Bohrmotors gemäß Fig. 1 zeigt, ist der Gewindeteil des Gehäuses
8 der Sektion 3 als besonderes Zapfenstück 8a ausgebildet und die
Abwinkelung des Bohrmotorgehäuses unmittelbar unterhalb der Verbindung zwischen
den beiden Sektionen 2 und 3 vorgenommen. Das Gehäuse 8 und das Zapfenstück
Sa sind mittels der Versatzunclen 16
und 16a zusammengesteckt und miteinander
verschweißt. Dabei sind die Flächen der Versatzung 16
des Zapfenstückes 8a
in Ebenen senkrecht oder parallel zur Zapfenachse ausgebildet, während die Flächen
der Versatzung 16 a des Gehäuses 8 gegenüber den Ebenen senkrecht
und parallel zur Gehäuseachse um einen der gewünschten Abwinkelung entsprechent'
im
den Winkel geneigt sind, wodurch sich nach dem Zusammenfügen und Verschweißen
des Gehäuses 8 mit dem Zapfenstück 8a die gewünschte Abwinkelung in der Ebene
der Schweißnaht 17 ergibt. Es ist natürlich ohne weiteres möglich, die gegenüber
denEbenen senkrecht und parallel zur Achse geneigten Flächen anstatt am Gehäuse
8 am Zapfenstück 8a oder mit je
der halben Neigung sowohl am Gehäuse
8 als auch am Zapfenstück Sa auszubilden. Unter Umständen kann es auch schon
genügen, insbesondere wenn das Gehäuse 8 und das Zapfenstück 8a ohne Versatzung
ausgebildet werden, nur die Stirnfläche des Gehäuses und/oder des Zapfenstückes
mit der besagten Neigung auszubilden.
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Die Abwinkelung der Bohrmotorwelle erfolgt bei der Ausführung nach
Fig. 3 in der gleichen Weise wie bei Fig. 2, wobei auch hier die Knickstelle
durch entsprechendes Bemessen der Länge der Kupplungsstücke 14 und 15, die
wiederum als einfache Zahnkupplungshälften ausgebildet sind, in axialer Richtung
an eine andere als die gezeigte Stelle verlegt werden kann, also beispielsweise
auch aus der Ebene der Schweißnaht 17 heraus.
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Der in Fio,. 4 schematisch gezeigte, wiederum aus den vier Sektionen
2 bis 5 zusammengesetzte Bohr-Motor ist mittels eines besonderen Zwischenstückes
18 einfach abgewinkelt. Die Abwinkelung ist nur beispielsweise zwischen den
beiden untersten Sektionen 4 und 5 und auch nur beispielsweise etwa in der
Mitte des Zwischenstückes gezeigt. Infolge des zusätzlichen Zwischenstückes
18 sind die Sektionen 4 und 5 kürzer ausgeführt als die Sektionen
2 und 3 der gleichen Figur bzw. die Sektionen 2 bis 5 bei Fig.
1. Selbstverständlich könnten sie, sofern sich dies als zweckmäßig oder erforderlich
erweisen sollte, etwa im Hinblick auf ein optimales Verhältnis zwischen Drehmoment
und Drehzahl, mit derselben Länge wie die übrigen Sektionen oder auch länger als
diese ausgeführt werden.
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Ein Ausführunasbeispiel für die mögliche Ausbildung des Zwischenstückes
entsprechend der Fig. 4 ist in Fig. 5 in größerem Maßstab und im Schnitt
gezeigt. Danach ist das einteilig ausgebildete Gehäuse 19 des Zwischenstückes
18 in der Mitte abgewinkelt, was etwa durch zylindrisches Ausbohren und Außenabdrehen
eines zylindrischen Rohrkörpers von seinen beiden Enden her in Richtung zweier unter
dem gewünschten Ablenkwinkel sich in der Mitte des Rohrkörpers schneidender Achsen
erreicht wird. Die Enden des Gehäuses 19 sind als Muffe 20 bzw. Zapfen 21
mit je einem leicht konischen, achsparallel geschnittenen Gewinde ausgebildet
und mittels dieser Gewinde mit den Gehäusen der anschließenden Sektionen 4 und
5 verschraubt. Die Bohrmotorwelle besteht im Bereich des Zwischenstückes
18 aus den beiden Wellenstücken 22 und 22 a. die in der Mitte des
Zwischenstückes miteinander und im Bereich der Enden des Zwischenstückes mit den
Wellenstücken 23 und 24 der Sektionen 4 bzw. 5 mittels der als einfache
Zahnkupplungshälften ausgebildten Kupplungsstücke 25 und 25a, durch die die
übertragung der Drehkräfte und der axialen Schubkräfte erfolgt, verbunden sind.
Die Achsen der Wellenstücke 22 und 22a stimmen mit je einer der beiden sich
schneidenden Gehäuseachsen genau überein, so daß die Bohrmotorwelle in der Mitte
des Zwischenstückes 18 geknickt ist, wobei die erforderliche Winkelbeweglichkeit
zwischen den beiden Wellenstücken durch die sie verbindende Zahnkupplung25, 25a
gewährleistet ist. Beiderseits der Knickstelle sind die Wellenstücke 22 und 22a
zur Aufnahme von Drehschwinaungen in im
radialen Lagergruppen 26 gelag gert,
deren gegenseitiger Abstand durch die Distanzstücke 27 festgelegt ist. Die
mit einer Abweisklauenverzahnung 28, 28 a ausgebildeten Ringe 29 und
30 dienen zur Verriegelung des Zwischenstückgehäuses 19 mit den Gehäusen
der anschließenden Sektionen 4 bzw. 5. Diese erfolgt nach dem Verschrauben
des Zwischenstückes 18 mit dem Gehäuse der Sektion 5 durch Anziehen
des im Zapfenkopf des Zwischenstückes 18 angeordneten Spannringes
31, wodurch die mit einer Feinverzahnung oder dergleichen ausgebildeten Stirnseiten
des Zapfens 32 der Sektion 5 und des Ringes 30 formschlüssig
miteinander verbunden sind. Bei einer Losschraubbewegung der Gewindeverbindung zwischen
dem Gehäuse 19 des Zwischenstückes 18 und dem Gehäuse der Sektion
5 läuft die steile Schulter der Abweisklauenverzahnung 28 a am Ring
30 gegen die steile Schulter der Abweisklauenverzahnung 28 des im Zwischenstückgehäuse
19 axial verschiebbar, aber gegen Verdrehen gesichert angeordneten Ringes
29,
wodurch ein weiteres Losschrauben verhindert wird. Das Lösen der Gewindeverbindung
kann demgemäß erst nach Zurückschrauben des Spannringes 31 um einen der Höhe
derAbweisklauen entsprechenden Betrag erfolgen. Sinngemäß erfolgt die Verriegelung
des Gehäuses 19 des Zwischenstückes 18 mit dem Gehäuse der Sektion
4, nämlich mittels der im Gehäuse der Sektion 4 angeordneten und ebenfalls mit einer
Abweisklauenverzahnung 28, 28 a ausgebildeten Ringe 29a und 30a und eines
im Gehäuse der Sektion 4 angeordneten nicht gezeigten Spannringes.
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Das in Fig. 6 dargestellte Zwischenstück unterscheidet sich
von dem Zwischenstück gemäß Fig. 5 im wesentlichen dadurch, daß die Zwischenwelle
33 einteilig ausgebildet ist. Die erforderliche Winkelbewelichkeit der Zwischenwelle
33 gegenüber den Wellenstücken der anschließenden Sektionen ist hier durch
die etwa in der gleichen Weise wie in Fig. 5 ausgebildeten Kupplungen
25, 25a gewährleistet. Während bei dieser Ausführung das Gehäuse des Bohrmotors
wiederum
einfach abgewinkelt ist, ist die Welle des Bohrmotors zweifach abgewinkelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des Zwischenstückes gemäß Fig.
7 ist das Gehäuse 34 des Zwischenstückes zweifach abgewinkelt. Die Zwischenwelle
35 ist wiederum einteilig ausgeführt und entsprechend dem Ab-
stand
zwischen den beiden Gehäuseknickstellen be-
messen. Die Wellenstücke der anschließenden
Sektionen sind über die Gehäuse der Sektionen hinaus verlängert ausgeführt und an
den Knickstellen des Zwischenstückgehäuses 34 mit der Zwischenwelle 35 etwa
m der gleichen Weise wie bei Fig. 6, also mittels der Kupplungen
25, 25a verbunden. Bohrinotorgehäuse und Bohrmotorwelle sind bei dieser Ausführung
also je zweifach abgewinkelt.
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Nach Fig. 8 ist zwischen den Sektionen 3 und 4 des Bohrmotors
ein als einfaches gerades Rohrstück 36 ausgebildetes Zwischenstück- angeordnet,
dessen eine Stirnfläche schräg abgeschnitten ist, wodurch die gewünschte Abwinkelung
des Bohrmotorgehäuses erzielt ist. Die Abwinkelung der Bohrmotorwelle kann mittels
einer Zwischenwelle erfolgen, die in der bereits beschriebenen Weise wieder mit
den Wellenstücken der anschließenden Sektionen verbunden wird. Es kann aber auch
beispielsweise das Wellenstück der einen der beiden anschließenden Sektionen verlängert
sein, so daß es bis zur Verbindungsstelle des Rohrstückes 36 mit dem Gehäuse
der anderen Sektion reicht, und dann dort direkt mit dem Wellenstück der anderen
Sektion gekuppelt sein. Eine besondere Zwischenwelle ist in diesem Fall also nicht
erforderlich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist nur die Welle des
Bohrmotors abgewinkelt, und zwar an der Verbindungsstelle der untersten Sektion
5a mit der Sektion 4. Die Achse des Gehäuses und des Wellenleiles der Sektion 5a
schließen miteinander einen kleinen Winkel (entsprechend der gewünschten Ablenkun-
des Bohrwerkzeuges) ein, was selbstverständlich eine entsprechende Lagerung bzw.
Führung des Wellenteiles im Gehäuseteil erforderlich macht. Die Verbindung der Gehäuse-
und auch der Wellenteile der Sektionen 4 und 5a miteinander kann wiederum in der
gleichen Weise vorgenommen werden, wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen
oder auch auf andere Art. Zur besseren Führuno, des Bohrwerkzeuges 6
ist an
der Sektion 5a eine Führungsleiste 37 auf der der gewünschten Ablenkrichtung
entgegengesetzten Sehe angeordnet.