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Drehzahlmeßeinrichtung für Turbinenbohrer Die Erfindung bezieht sich
auf eine Drehzahlmeßeinrichtung für Turbinenbohrer.
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Normalerweise werden Tiefbohrungen mittels eines Bohrmeißels ausgeführt,
der an eine Serie von zusammengekuppelten hohlen Bohrstangen angebracht ist und
von diesen gedreht wird. Das hohle Bohrgestänge wird über der Erdoberfläche aufgehängt
und angetrieben, so daß die Last auf dem Bohrmeißel und seine Drehgeschwindigkeit
leicht festgestellt und reguliert werden können, um mit der jeweils wirtschaftlichsten
Bohrgeschwindigkeit zu arbeiten.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, bei Tiefbohrungen einen Turbinenbohrer
zu verwenden, welcher am unteren Ende eines nicht drehenden hohlen Bohrgestänges
befestigt und durch die im Bohrgestänge nach unten strömende Spülflüssigkeit angetrieben
wird. Die zahlreichen Turbinenbohrertypen konnten sich jedoch bisher nicht durchsetzen.
Einer der Hauptgründe hierfür besteht darin, daß keine Steuerung der Bohrmeißelgeschwindigkeit
erfolgt, zumal hierüber und über das auf dem Bohrmeißel lastende Gewicht keine Angaben
erhältlich sind. Eine zu hohe Bohrmeißelgeschwindigkeit hat aber eine stark verkürzte
Lebensdauer der Bohrmeißel und eine starke Verminderung des Gesamtwirkungsgrades
der Bohr-Operation zur Folge, so daß eine kontinuierliche Kontrolle der Bohrmeißelgeschwindigkeit
und Vorschubgeschwindigkeit sowie der auf dem Bohrmeißel wirkenden Kräfte unerläßlich
ist, um Turbinenbohrer ökonomisch benutzen zu können. Tatsächlich konnten die heutigen
Turbinenbohrer mit gutem Erfolge benutzt werden, wenn die Drehgeschwindigkeit des
Bohrmeißels bekannt ist.
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Gemäß einem auf eine solche Verwendung von Turbinenbohrern gerichteten
Vorschlag wird eine Drehzahlmeßeinrichtung benutzt, bei welcher mit dem Turbinenmotor
der Permanentmagnetrotor eines Wechselstromgenerators gekoppelt ist, welcher an
eine lange, isolierte Elektrode angeschlossen ist. Die Frequenz des erzeugten Stromes
ist von der Drehzahl des Bohrers abhängig. Als Stromleiter dient das Bohrgestänge
und das Erdreich selber. Die an der Erdoberfläche wahrnehmbare Spannung beträgt
jedoch lediglich einen Bruchteil eines Minivolts, so daß eine starke Verstärkung
unerläßlich ist. Darüber hinaus ist noch eine umfangreiche elektronische Frequenzmeßeinrichtung
notwendig.
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Die Erfindung zeigt nun einen einfacheren Weg zur Wahrnehmung der
Bohrerdrehzahl. Erfindungsgemäß besitzt seine Drehzahlmeßeinrichtung für Turbinenbohrer
einen in einer Schwerstange angeordneten, vom Turbinenrotor über ein zwischengeschaltetes
Reduziergetriebe und ein Umformergetriebe in Hin- und Herbewegung versetzbaren Ventilkörper,
welcher mit einer Spülflüssigkeitsdüse zusammenwirkt und in Abhängigkeit von der
Zahl der Umdrehungen des Turbinenrotors pulsierend die Spülflüssigkeit drosselt,
wobei die dadurch entstehenden Druckschwankungen der Spülflüssigkeit durch diese
nach über Tage in einen Empfänger übertragen werden, der die Druckschwankungen in
elektrische Potentialänderungen umformt, die einem Registriergerät 84 zugeführt
werden.
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An Hand der Zeichnung wird nun die Erfindung näher erläutert.
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Fig.1 zeigt schematisch ein Beispiel der Erfindungstiefbohrervorrichtung
in Bohrstellung zusammen mit den üblichen Betriebsmitteln und mit einem Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes; Fig.2 zeigt im Schnitt einen Teil der Drehzahl meßeinrichtung
gemäß Fig.1, welcher sich oberhalb des Bohrmeißels befindet; Fig.3 zeigt schematisch
im Schnitt die Bestandteile des Teils der Einrichtung gemäß Fig. 2; Fig. 4 ist ein
Längsschnitt durch einen kleinen Abschnitt von Fig. 2, welcher die Abdichtung und
die elektrischen Verbindungen des Batteriegehäuses zeigt; Fig. 5 zeigt den Teil
nach Fig. 3 in ähnlicher Darstellung, jedoch in einer modifizierten Ausführung.
Fig.
1 zeigt schematisch einen Bohrturm und die Zusatzeinrichtungen, welche über dem
Bohrloch angeordnet sind, in welchem die Bohrausrüstung sich in Arbeitslage befindet.
Der Bohrturm 10 trägt die feste Flasche 11, an welcher die lose Flasche 12 aufgehängt
ist. Das Heben und Senken der losen Flasche 12 erfolgt durch das Kabel
13, welches über die Rollen des Flaschenzuges läuft und von einer Winde 14
auf- oder abgewickelt wird. Die lose Flasche trägt einen Spülkopf 15, an welchem
eine drehbare Mitnehmerstange 16 befestigt ist. Diese Mitnehmerstange bildet das
oberste Glied des hohlen Bohrgestänges 17. Die Mitnehmerstange wird durch einen
Drehtisch 18 gedreht oder am Drehen gehindert. Dieser Drehtisch kann z. B. über
ein Getriebe von der Winde 14 angetrieben oder gebremst werden. Das Bohrgestänge
trägt am unteren Ende einen Bohrmeißel.
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Spülflüssigkeit, z. B. Dickspülung, wird von der Pumpe 21 durch die
Leitung 22 aus der Sauggrube 20 gepumpt und unter Druck über die Leitung 24, den
Schlauch 25 und den Spülkopf 15 in das obere Ende des Bohrgestänges eingepreßt.
Ein Windkessel 26 kann, wie beim Ventil 23 angezeigt, der Dämpfung der von
der Pumpe verursachten Druckschwankungen dienen. Die Spülflüssigkeit fließt unter
hohem Druck durch das hohle Bohrgestänge hinunter zu einem Turbinenbohrer 30 und
schließlich aus Öffnungen im Bohrmeißel. Die Spülflüssigkeit fließt dann im Bohrloch
nach oben, trägt das vom Bohrmeißel entfernte Material mit und gelangt durch die
Rücklaufröhre wieder in die Sauggrube.
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Bei dieser an sich bekannten Anordnung kann der Turbinenbohrer 30
von der Art sein, wie sie in der Zeitschrift »The Petroleum Engineer«, Oktober 1956,
S. B-39 bis B-44, beschrieben wurde. Die Turbine dreht den Bohrmeißel und dient
auch dazu, um eine nach unten gerichtete Kraft auf den Bohrmeißel wirken zu lassen
und diesen zu belasten. Die auf den Bohrmeißel wirkende Kraft stammt vom Reaktionsdruck
der Turbinenschaufeln und wahlweise auch von einem Teil des Gewichts der Bohrstangen
über der Turbine. Die Kraft kann reguliert werden durch die Einstellung der Durchflußmenge
und des Druckes der der Turbine zugeführten Spülflüssigkeit und durch die Einstellung
der von der beweglichen Flasche 12 auf den Spülkopf 15 ausgeübten Kraft.
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In den oberhalb des Turbinenbohrers 30 angeordneten, erweiterten Abschnitten
31 und 32 des Bohrgestänges ist, wie Fig. 2 zeigt, ein Apparatgehäuse 33 untergebracht.
Das Gehäuse ist dabei innerhalb der Bohrung 36 mit einem Sprengring 34 und radial
angeordneten Ausgleichsmitteln 35 befestigt. Das Gehäuse 33 ist so konstruiert,
daß die Spülflüssigkeit ohne großen Widerstand in Richtung der nach unten gerichteten
Pfeile durchfließen kann. Das Gehäuse 33 weist einen unteren und einen oberen demontierbaren
Abschnitt 33 u bzw. 33 v auf, sowie ein Zwischenstück 33 m, welche zusammen verschraubt
sind. Das speziell ausgebildete obere Ende des Gehäuses 33 ragt in die erweiterte
Bohrung des Teiles 32 ein und besitzt Öffnungen 33 e, die hydraulisch mit einer
Spülflüssigkeitsdüse 37 verbunden sind, welcher mit einem Ventilkopf 38 zusammenwirkt,
um durch Drosseln Druckänderungen im Spülflüssigkeitsstrom hervorzurufen. Die Spülflüssigkeit
fließt in die Öffnungen 33 e des Gehäuseteils 33 u und weiter durch die Düse 37
und am Ventilkopf 38 vorbei. Wenn beispielsweise der Ventilkopf 38 gegen den konischen
Teil der Düse 37 aufwärts bewegt wird, so beschränkt er den Spülflüssigkeitsfluß
und verursacht einen vergrößerten Druckabfall hinter dem Ventilkopf und einen wirksamen
Druckanstieg vor dem Ventilkopf. Wenn der Ventilkopf 38 wieder nach unten in seine
Normallage zurückgeht, so erlaubt er ein Zurückgehen des Druckes. auf den Normalwert.
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Die Mittel, um den Ventilkopf in und aus der Schließstellung zu bringen,
können von irgendeiner passenden Artsein, z. B. bekannte elektromagnetische, hydraulische
Betätigungssysteme oder ein direkt wirkendes mechanisches Betätigungssystem, wie
das nachfolgend beschriebene Kurvenscheibensystem.
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Bei der Ausführung gemäß der Fig.3 wird der Ventilkopf 38 in axialer
Richtung durch nicht näher dargestellte Mittel hydraulisch betätigt. Die Betätigungsmittel
umfassen einen Apparat, welcher teilweise in einem Gehäuse 39 untergebracht ist,
welches ein demontierbarer Teil des Gehäuses 33 sein kann, wie das in Fig. 2 gezeigt
wird. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Betätigungssystem beginnt der Ventübetätigungsapparat
beim Schließen eines einen Hubmagneten und eine Stromquelle umfassenden elektrischen
Stromkreises zu arbeiten, wie dies im Detail in den vorher genannten Patentanmeldungen
eingehend beschrieben ist. Der Hubmagnet, welcher hier nicht eingehend dargestellt
ist, ist im Gehäuse 39 untergebracht, von welchem, wie gezeigt, elektrische Leiter
wegführen. Der eine elektrische Leiter stellt eine Verbindung zu einer passenden
Stromquelle, hier eine Batterie 40, her, währenddem der andere Leiter des Magnetstromkreises
mit dem anderen Pol der Batterie über die Schalter 42 und 41 verbunden ist. Der
Schalter 41 wird wiederholt durch eine an der Welle 43 befestigte Kurvenscheibe
41 c geöffnet und geschlossen. Der Schalter, die Form der Kurvenscheibe und der
Nachlaufarm 41f sind so ausgebildet, daß, wenn der Nachlaufarm auf der äußeren Lauffläche
der Kurvenscheibe abgestützt ist, der Stromkreis durch den Schalter offengehalten
und wenn der Nachlaufarm in die Ausnehmung der Kurvenscheibe eingreift, der Stromkreis
geschlossen wird. Der Schalter 42 ist ein gewöhnlicher hydraulisch betätigter Druckschalter,
welcher dazu dient, den Stromkreis von der Stromquelle zu unterbrechen, wenn die
Turbine der Turbobohreinheit nicht in Betrieb ist, so daß während der Ruheperioden
die Batterie geschont wird. Im Betrieb des Bohrers wird der auf den Betätigungskolben
des Druckschalters einwirkende Druck mittels einer über eine mechanische Verbindung
vom Turbinenbohrer angetriebenen Pumpe 44 ausgeübt. Die Pumpe ist an einen geschlossenen
hydraulischen Kreis 44 c angeschlossen, welcher ein verstellbares Ventil 46 enthält.
Der Schalter 42, der stromaufwärts des Ventils 46 an den Kreis 44 c angeschlossen
ist, wird also geschlossen, wenn die Welle 45 dreht. Er öffnet automatisch, wenn
die Welle stillsteht.
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Ein Reduktionsgetriebe 47 ist zwischen der Kurvenscheibe 41 c und
der Welle 45 so angebracht, daß die Kurvenscheibe den Schalter mit einer geeigneten
Frequenz betätigt. Das Übersetzungsverhältnis des Reduktionsgetriebes kann beispielsweise
so sein, daß bei hundert Umdrehungen der Welle 45 die Kurvenscheibe 41 c eine Umdrehung
macht. Das Reduktionsgetriebe wird von einer Verlängerung 45' der Welle 45 angetrieben.
Die
Welle 45 wird von dem Turbinenbohrer über passende Verbindungen, z. B. über
eine lösbare Kupplung 50, angetrieben, welche vorteilhaft automatisch einkuppelt.
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Da Batterien keine hohen Drücke aushalten, ist es notwendig, die Batterie
40 gegenüber Druck zu schützen, den die Spülflüssigkeit im Bohrloch ausübt.
Um die Batterie unter atmosphärischen Druck zu halten, ist sie in einem abgedichteten
Teil 33m (Fig. 2) des Apparategehäuses 33 eingeschlossen.
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Gemäß der Fig. 5 wird eine Welle 45", die der Welle 45 von Fig. 3
entspricht, durch eine Kupplung 50 von der Rotorwelle des Turbinenbohrers 30 angetrieben.
Die Welle 45" treibfein Reduktionsgetriebe 47', welches ähnlich wie das Reduktionsgetriebe
47 in Fig.3 ist und dessen Abtriebswelle einen zylindrischen Nocken 70 trägt.
Eine am Ende eines hin-und herbeweglichen Ventilstößels 72 angeordnete Folgerolle
71 wird durch eine Druckfeder 73 in Kontakt mit dem Nocken gehalten. Die Feder wirkt
gegen eine auf dem Stößel 72 auf irgendeine Weise, z. B. mittels eines Stiftes,
befestigten Anschlagscheibe 74. Der Stößel 72 ist in nicht dargestellten
Führungen montiert und aus dem Apparategehäuse 33' dichtend herausgeführt.
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Außerhalb des Gehäuses ist am oberen Ende des Stößels 72 ein Ventilkopf
38' montiert, welcher mit einer Spülflüssigkeitsdüse 75 im Teil 76 zusammenarbeitet.
Wenn der Ventilkopf 38' durch die Bewegung des Nockens 70 gehoben wird, so
sperrt er den Spülflüssigkeitsstrom durch die Düse 75 und verursacht einen Druckanstieg
oberhalb von dieser. Wenn der Ventilkopf bei der entsprechenden Stellung des Nockens
70 von der Feder 73 und mit Hilfe des Flüssigkeitsdruckes auf dem Ventilkopf 38'
nach unten bewegt wird, kann der Druck über dem Ventilkopf 38' wieder auf
den normalen Wert absinken. Auf diese Weise wird bei jeder Umdrehung des Nockens
70 ein Druckschwankungssignal (die Druckerhöhung, oder die nachfolgende Druckverminderung,
oder beides, erzeugt.
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Die sich wiederholenden Druckschwankungen in dem nach unten fließenden
Spülflüssigkeitsstrom werden durch die Spülflüssigkeit mit Schallgeschwindigkeit
- nach über Tage übertragen und können außerhalb des Bohrloches wahrgenommen werden.
Zu diesem Zwecke ist ein passender konventioneller elektrischer Empfänger
80 hydraulisch mit dem Innern der Rohre 24 verbunden, der Druckänderungen
im Spülflüssigkeitsstrom in entsprechende elektrische Potentialänderungen übersetzt.
Der Empfänger, welcher einen Verstärker aufweisen kann, wird von einer Stromquelle
82 gespeist. Der Ausgang des Empfängers ist mit einem passenden Signalzeiger, z.
B. einem von einem Uhrwerk angetriebenen Registriergerät 84 verbunden, welches
jedes Druckschwankungssignal an einem mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegten
Registrierstreifen markiert. Die den Druckschwankungssignalen (jedes von ihnen gibt
eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen des Turbinenbohrers an) entsprechenden Zeichen
zeigen die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Signalen an. Es kann deshalb
die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen leicht festgestellt und die
Drehzahl des Turbinenbohrers nach der Gleichung
berechnet werden, wobei. S = Drehzahl des Turbinenbohrers in Umdrehung pro Minute;
R = Umdrehungen des Turbinenbohrers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen;
T = Zeit in Minuten, die zwischen der Aufzeichnung zweier aufeinanderfolgenden Zeichen
auf dem Registrierdiagramm vergeht. In dieser Gleichung wird R vom übersetzungsverhältnis
des Getriebes bestimmt.
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Wenn bei einem Übersetzungsverhältnis ein Signal pro hundert Umdrehungen
des Turbinenbohrers erzeugt wird und wenn auf dem Registrierstreifen eine Zeitskala
angebracht und der Registrierstreifen mit der gleichmäßigen Geschwindigkeit von
einem Zeitskalazeichen pro Zeiteinheit an der Schreibfeder vorbeigeführt wird, so
geben die Registrierzeichen die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Signalen
an, und die Anzahl hundert Umdrehungen, die der Turbinenbohrer pro Zeiteinheit ausführt,
kann direkt vom Registrierstreifen abgelesen werden.
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Der Bohrmeister kann die Geschwindigkeit des Turbinenbohrers auf Grund
der Beobachtung des Registriergerätes 84 mit Hilfe des Ventils 23 und/oder des Pumpengeschwindigkeitsreglers
21 c der Spülpumpe steuern. Die wirksame Kraft auf dem Bohrmeißel, welche aus dem
von der Turbine erzeugten Druck nach unten und dem algebraischen Wert des auf den
Turbinenlagern lastenden Druckes besteht, wird einesteils durch den Spülflüssigkeitsdruck
und die Durchflußmenge reguliert und andernteils durch die Verstellung der beweglichen
Flasche reguliert. Die Vorschubgeschwindigkeit kann durch die in bestimmten Zeitabständen
erfolgende Beobachtung eines konventionellen Tiefenmeßgerätes 86 erfolgen, welches
die Veränderung der Bohrlochlänge anzeigt. Weil mit der Anzeige der Turbinenbohrergeschwindigkeit
der Bohrmeister mit Daten über alle Faktoren versehen ist, kann die vorteilhafteste
Bohrgeschwindigkeit bestimmt werden.