DE2653185A1 - Gesteuertes richtungsbohrwerkzeug - Google Patents
Gesteuertes richtungsbohrwerkzeugInfo
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- E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
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Description
MÜLLER-BORE · nETJlJlLL · SC-ΪΟΝ · EERTEL ο η r ο 1 ο r
PATENTANWÄLTE
DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE CPATENTANWALTVON 1937-1975)
DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM.
WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.
A 25O8 So/Ri
I !-. Nov. i97i
Agency of Industrial Science & Technology 3-1 Kasumigaseki 1 chome, Chiyoda-Ku, Tokyo, Japan
Gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug
Die Erfindung bezieht sich auf ein gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug,
bei welchem ein mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz
und einer Antriebseintrichtung für diesen versehener Bohrkopf mit dem freien Ende einer Bohrstange frei biegbar verbunden ist.
In Kohlenflöze oder Gesteinsflöze werden zum Zwecke des Abzugs eingeschlossener Gase, zum Auskundschaften der Erdkruste und
dergleichen Löcher gebohrt. Während eines derartigen Bohrvorgangs kann es notwendig werden, die Bohrrichtung zu ändern wegen geologischer
Bedingungen oder Bohrbedingungen.
Im Falle, daß eine Änderung der Bohrrichtung während des Fortschreitens
des Bohrens notwendig war, war es bisher üblich, die
— 2 —
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MUSTCIIEKr SG -SIEBERTSTR. 4· POSTFACH SG 07S0 · ICAIi E L·: MUEHOPAT · TEL·. (0K8) 4740Ü-1 ■ TÜI.SX .1-24
erforderliche Änderung herbeizuführen durch Herausziehen des Bohrwerkzeugs
auf die Oberfläche, Trennen des Bohrrohrs und des Drillbohrereinsatzes, anschließendes Wiedervereinigen dieser mittels
einer Hilfsabwinkelung um den für die Steuerung der Bohrrichtung
erforderlichen Winkel und abschließende Wiederaufnahme des Bohrvorgangs ·
Die US-Patentschriften 2 796 234- und 2 891 769 beschreiben Richtungsbohrvierkzeuge.
Das Werkzeug der älteren Veröffentlichung basiert auf einem derartigen Verfahren, daß das geforderte Richtungsbohren
erzielt wird, indem man hydraulisch Arme und Rollen bis zu einem gesteuerten Ausmaß vom Bohrrohr vorstehen läßt. Das Werkzeug
der jüngeren Veröffentlichung weist ein Bohrrohr auf, welches in verschiedenen Höhen mit zwei Führungseinrichtungen versehen ist,
von denen jede aus vier Führungsrollen besteht, wobei die gewünschte
Steuerung der Bohrrichtung dadurch herbeigeführt wird, daß man die einzelnen Führungsrollen von ihrer jeweiligen Ruhestellung um
ein durch geeignete hydraulische Einrichtungen gesteuertes Ausmaß vorstehen läßt.
Bei diesen Richtungsbohrwerkzeugen kommt jedoch der hydraulische
Druck zur Erzeugung der Drehungen des Drillbohrereinsatzes und der
zur Herbeiführung des Vorstehens der Arme, Rollen oder Führungsrollen von einer gemeinsamen Quelle. Infolgedessen sind die Hydrauliksysteme in den bekannten Werkzeugen unvermeidbar kompliziert.
Da die Arme, Rollen oder Führungsrollen immer von der Oberfläche des Bohrrohrs herausragen, besteht ferner die Gefahr von deren
Zerstörung in dem Fall, wenn die durch die Werkzeuge geborten Löcher
einen kleinen Durchmesser haben. Darüber hinaus besteht wegen des Vorhandenseins von derartigen herausragenden Teilen nicht nur die
Möglichkeit einer Funktionsstörung, sondern auch die Gefahr einer Verhinderung eines Biegens, wenn dieses erwünscht ist, und eines
Herbeifuhrens. eines Biegens, wenn dieses nicht erwünscht ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches
und wirksames Richtungsbohrwerkzeug zu schaffen, welches nicht die
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Nachteile der bekannten Bohrwerkzeuge aufweist und insbesondere eine sichere Änderung der Bohrrichtung in eine neue gewünschte
Richtung mittels eines einfachen Mechanismus ermöglicht·
Diese Aufgabe wird bei einem gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß durch die
Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein weiteres besonders
vorteilhaftes Erfindungsmerkmal ergibt sich aus dem Anspruch 2.
Demnach schafft die Erfindung ein gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug,
welches den grundsätzlichen Aufbau eines Bohrwerkzeugs aufweist, das aus einem Bohrkopf mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz und
einer Antriebseinrichtung für diesen sowie einer Bohrstange besteht,
, · * π -u ■, * * τ-- ,_ /insbesondere gelenkig,
wobei der Bohrkopf frei biegbar/am vorderen Ende der Bohrstange angebracht
ist. Das Bohrwerkzeug enthält ferner ein Paar von pneumatisch betätigbaren Zylinderanordnungen, ein Paar von Kolbenanordnungen,
an deren vorderen Enden jeweils ein geneigter Abschnitt vorgesehen ist, sowie ein Paar von Rollen, welche mit den geneigten
Abschnitten des Paars von Kolbenanordnungen in Kontakt gehalten werden und frei heraustretbar innerhalb der Umfangsflache zurückgehalten
werden in vorgegebenem Abstand voneinander in den quer zur Achse des Bohrkopfs einander gegenüberliegenden Seiten dieses, wobei
das Paar von Zylinderanordnungen und das Paar von Kolbenanordnungen
im Bohrkopf angeordnet sind.
Durch Zufuhr der Druckluft für das Bohren durch die Bohrstange zur
Antriebseinrichtung für den Drillbohrereinsatz rotiert der an der vorderen Spitze des Bohrkopfs angeordnete Drillbohrereinsatz und
bohrt ein Loch in das Mineralflöz· Wenn im Verlauf des Bohrvorgangs die Bohrrichtung geändert werden muß, wird die erforderliche .Änderung
der Bohrrichtung herbeigeführt durch Zufuhr von Druckluft zur Steue- ■ rung der Bohrrichtung zu dem Paar von Zylinderanordnungen, wodurch
die Kolbenanordnungen vorwärts bewegt werden und folglich die geneigten Abschnitte an deren vorderen Enden das Paar von Rollen aus
ihrer eingeklappten Stellung in den Seiten des Bohrkopf ausrücken, wobei
die jeweiligen Rollen in Druckkontakt mit der inneren Wand des bereits gebohrten Lochs gebracht werden derart, daß der Bohrkopf
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um einen für die gewünschte Änderung der Drehrichtung geeigneten
Winkel geneigt wird.
Das gesteuerte Richtungsbohrwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung
ist derart aufgebaut, daß das Paar von Rollen an gegenseitig versetzten Stellen von den gegenüberliegenden Seiten des Bohrkopfs
herausgedrückt werden durch Betätigung des Paars von Zylinderanordnungen und des Paars von Kolbenanordnungen wie oben beschrieben.
Darüber hinaus werden die Druckluft für das Bohren und die für die Steuerung der Drehrichtung separat zueinander zugeführt,
Somit hat das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug einen einfachen Aufbau
und gewährleistet eine sichere Funktionsweise,
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen gesteuerten Richtungsbohrwerkzeugs ,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene vergrößerte Ansicht eines Bohrkopfs
des Bohrwerkzeugs gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt IV-IY aus Fig. 2 und
Fig. 4- eine erläuternde Darstellung des Zustandes, in welchem die
Bohrrichtung während des Bohrens mit dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug geändert wird.
Bei dem gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Bohrkopf 1 mit dem vorderen Ende einer Bohrstange 2 verbunden mittels eines Universalgelenks 3» welches durch einen
Stift 4- in jeder Richtung frei beweglich gehalten wird, in welcher der Bohrkopf Λ geneigt werden soll. Der Bohrkopf 1 ist am vorderen
— 5 — 709822/0771
Ende seines Hauptkörpers 5 mit einem Drillbohrereinsatz 6 und
an dem hinteren Ende des Hauptkörpers 5 mit hinteren Backen versehen.
Der Hauptkörper 5 weist in seinem Inneren eine pneumatische Antriebseinrichtung 8, wie beispielsweise einen durch Druckluft
betriebenen Luftmotor, zum Bohren sowie eine Geschwindigkeitsreduktionseinrichtung
9 auf, welche zur Verlangsamung der Drehung der pneumatischen Antriebseinrichtung 8 dient. Der Drillbohrereinsatz
6 ist stationär befestigt am vorderen Ende einer umlaufenden Welle 10, welche über die Geschwindigkeitsreduktionseinrichtung
9 mit der Antriebseinrichtung 8 verbunden ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist an einer Seite des Bohrkopfs 1 eine
erste Richtungssteuereinrichtung 11 für die Herbeiführung einer erforderlichen
Richtungsänderung des Bohrens während des Bohrvorgangs angeordnet und eine zweite ähnlich ausgebildete Richtungssteuereinrichtung
11' ist an der gegenüberliegenden Seite des Bohrkopfs 1
angeordnet, und zwar um eine feste Entfernung von der ersten Richtungssteuereinrichtung
11 versetzt. Das Paar von RichtungsSteuereinrichtungen 11, 11' weist Rollen 14·, 14' auf, welche frei herausragbar
innerhalb von Aushöhlungen 13, 13' angeordnet sind, die an gegenüberliegenden
Seiten des Bohrkopfs 1 ausgebildet sind, und zwar von einer einen Teil des Hauptkörpers 5 des Bohrkopfs 1 bildenden
Mittelwand 12 aus in entgegengesetzten Richtungen um eine feste Entfernung voneinander getrennt. Der Bohrkopf 5 weist ferner Zylinderanordnungen
15, 15' auf, welche dazu dienen, die Rollen 14 bzw.
14' aus den Aushöhlungen 13 bzw. 13' herauszudrücken. Die der ersten
Richtungssteuereinrichtung 11 zugeordnete Zylinderanordnung 15
enthält einen Zylinder 17j welcher frei gleitend in einen kolbenartigen
Teil 16 eingesetzt ist. Ein Zuführrohr 19 für ein komprimiertes Fluid zur Richtungssteuerung mündet in eine Zylinderkammer 189
welche den kolbenartigen Teil 16 und den Zylinder 17 umfaßt. Am vorderen Ende des Zylinders 17 ist ein Druckteil 21 angebracht, welcher
mit einem geneigten Abschnitt 22 versehen ist, der so ausgebildet ist, daß bei Bewegung des Zylinders 17 in Pfeilrichtung durch
den Druck der unter Druck in die Zylinderkammer 18 zugeführtenLuft der geneigte Abschnitt 22 gegen an beiden Seiten der Rolle 14 ange-
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ordnete Hilfsrollen 20 anstößt und einen Druck ausübt, durch
welchen die Rolle 14- aus der Aushöhlung 13 herausgedrückt wird.
Die Zylinderanordnung 15' der zweiten Richtungssteuereinrichtung
11' und die Zylinderanordnung 15 sind bezüglich der Mittelwand 12
symmetrisch angeordnet und die Zylinderanordnung 15' weist einen dem der Rolle 14 ähnlichen Mechanismus auf, wie auch der Druckteil
21' mit seinem einen Ende an der umlaufenden Welle 10 gelagert
und an seinem anderen Ende mit einem geneigten Abschnitt 22*
versehen ist derart, daß der geneigte Abschnitt 22f an Hilfsrollen
20' der Rolle 14-· anstößt· Die Rollenachsen 23, 23' der vorstehend
erwähnten Richtungssteuerrollen 14-, 14·' sind in ihrer Anordnung
jeweils durch Rückstellfedern 24-, 24·' abgestützt, welche gegen
den Hauptkörper 5 des Bohrkopfs 1 gespannt anliegen. Die komprimierte
Luft zur Richtungssteuerung wird unabhängig von der komprimierten Luft für den Bohrvorgang von einer längs der Bohrstange 2 angeordneten
Zuführleitung geringen Durchmessers (nicht dargestellt) zugeführt durch eine in einem seitlichen Abschnitt des Hauptkörpers
5 des Bohrkopfs 1 ausgebildete Öffnung in das Zuführrohr 19·
Am vorderen Ende des Bohrkopfs 11 mündet eine Ausströmöffnung 26 (Pig. 1) zum Ausströmenlassen von Wasser, welches von einem nicht
dargestellten längs der Bohrstange 2 und über die umlaufende Welle
10 gelegten nicht dargestellten Wasserzufuhrrohr zugeführt wird.An der
Außenfläche des Hauptkörpers 5 cLes Bohrkopfs 1 ist eine längliche
Nut 27 vorgesehen, welche einen Kanal zum Wegströmenlassen des Wassers
bildet, das aus der Ausströmöffnung 26 ausströmte, zur Kühlung des Drillbohrereinsatzes 6 während des Bohrvorgangs diente und
jetzt den Bohrschlamm trägt.
Bei dem erfindungsgemäßen gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug mit dem
vorstehend beschriebenen Aufbau wird der gewünschte Bohrvorgang durchgeführt
durch Betätigung der Antriebseinrichtung 8 mittels Zufuhr der komprimierten Luft unter Druck für das Bohren über die Bohrstange
2, wodurch die Antriebseinrichtung 8 die umlaufende Welle 10 und folglich den an deren vorderer Spitze angebrachten Drillbohrer-
— π —
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.. 8
einsatz 6 dreht· Wenn eine Änderung der Bohrrichtung erforderlich
ist, wird die komprimierte Luft zur Steuerung der Richtung unter Druck vom Zuführrohr 19 zn den Zylinderkammern 18, 18' zugeführt·
Das so zugeführte komprimierte Fluid bewirkt, daß die Zylinder 17»
17' sich jeweils in durch Pfeile angedeutete Richtungen bewegen mit dem Ergebnis, daß die geneigten Abschnitte 22, 22' der Druckteile
21, 21' gegen die Hilfsrollen 20, 20' anstoßen und diese wegdrücken.
Infolgedessen werden die Richtungssteuerungsrollen 14·, 14·'
aus ihren geweiligen Aushöhlungen 13, 13' herausgedrückt, bis sie
mit der Oberfläche des gerade gebohrten Bohrlochs in Kontakt kommen. Die Kraft, mit welcher die Steuerrollen 14-, 14-' sich gegen die Oberfläche
des Bohrlochs andrücken, bewirkt, daß die vordere Spitze des Bohrkopfs 1 ein Moment in durch den Pfeil angedeutete Richtung erzeugen,
was eine gewünschte Änderung in der Drehrichtung herbeiführt . 4-).
In diesem Fall wird die Drehung des Bohrkopfs 1 während der Änderung
der Drehrichtung unterbrochen, da der Bohrkopf 1 durch ein Gelenk 3 derart angeschlossen ist, daß er in jeder Richtung frei beweglich
ist, in welcher die Änderung der Drehrichtung erfolgt, und gleichzeitig der Drillbohrereinsatz 6 mittels der innerhalb des Drillkopfs
1 angeordneten Antriebseinrichtung 8 gedreht wird. Somit kann die Bohrrichtung des Bohrkopfs 1 aufgrund des Hervorragens der Richtungssteuerrollen
14·, 14-' in eine vorgegebene Richtung geändert
werden.
Wenn die Zufuhr der Druckluft zur Richtungssteuerung abgebrochen wird, werden die Zylinder 17, 17' in ihre ursprünglichen Positionen
durch die Rückstellkraft der Rückstellfedern 24·, 24-' zurückgebracht
und die Richtungssteuerungrollen 14-, 14·' werden ebenfalls in ihre
eingezogenen Positionen innerhalb der Aushöhlungen 13, 13' durch die Rückstellfedern 24-, 24-' zurückgebracht. Somit kann der Bohrkopf
1 in der neu festgelegten Richtung wieder vorwärtsschreiten.
Wie oben beschrieben, kann das gesteuerte Richtungsbohrwerkzeug gemäß
der vorliegenden Erfindung eine geforderte Änderung der Bohr-
- 8 709822/0771
rich-feting mittels der lichtmigssteuereijarichtiing eines sehr einfachen
Mechanismus aasgeführt werden. Ferner ermöglicht das Bohrwerkzeug
eine sichere Funktionsweise der Eichttingsstetiereinrich—
tunge, da die BrticklTsft für den Bohrvorgang und die Brackliift für
die KichttingsstetterKEEg über separate Strönnmgswege zugeführt werden«
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Claims (2)
1. Gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug, bei welchem ein mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz und eine Antriebseinrichtung
für diesen versehener Bohrkopf mit dem freien Ende einer Bohrstange frei biegbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bohrkopf (1) mit einem Paar von Zylinderanordnungen (-15*
15') j einem Paar von Kolbenanordnungen (16, 16') mit {jeweils
einem geneigten Abschnitt (22, 22') am vorderen Ende dieser
und einem Paar von Rollen (14-, 14-') versehen ist, welche von der Umfangsflache des Bohrkopfs (1) an gegenüberliegenden Seiten
quer zur Achse dieses in einer vorgegebenen Entfernung voneinander frei herausragend ausklappbar sind, wobei Hilfsrollen
(20, 20') mit den geneigten Abschnitten (22, 22') der Kolbenanordnungen
(16, 16') in Kontakt gehalten werden, und wobei zu den Zylinderanordnungen (15, 15') zugeführte Druckluft bewirkt,
daß das Paar von Rollen (14-, 14') aus dem Bohrkopf (1) herausragt.
2. Richtungsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft zur Betätigung der Antriebseinrichtung (8)
für den Bohrereinsatz (6) und die Druckluft zur Verwendung in
den Zylinderanordnungen (15, 1I51) {jeweils durch voneinander unabhängig
ausgebildete Strömungswege zugeführt werden.
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