DE2953762C1 - Turbinenbohrer - Google Patents

Description

• Sehr ähnlich ist auch der aus der US-PS 39 71 450 bekannte Turbinenbohrer, der sich von dem vorstehend Betrachteten nur dadurch unterscheidet, daß er besondere Vorrichtungen zur Verringerung des auf die Dichtungen wirkenden Druckgefälles und zur Beeinflussung des Schmiermitteldruckes in der Schmierstoffkammer aufweist. Dies geschieht durch Verbindung der Schmierstoffkammer mit einem weiteren Raum, was eine en.sprechende Erhöhung der Schmierstoffmenge erzwingt, im übrigen aber die genannten Nachteile nicht beseitigt.
• In der US-PS 38 94 818 ist noch ein Turbinenbohrer gezeigt, bei dem die Dichtungen beidseits der Axiallagerung dadurch vom Druckgefälle entlastet sind, daß über einer Radialbohrung im Gehäuse eine zusätzliche Dichtung angeordnet ist, welche ständig unter der Wirkung des Druckgefälles steht. Diese hat demgemäß wieder eine nur geringe Lebensdauer, und ihr Ausfall zieht in kurzer Zeit den Ausfall auch der die Axiallagerung schützenden Dichtungen nach sich.
• Der SU-Erfinderschein 5 39 135 betrifft eine Axiallagerung für hydraulische Bohrmaschinen, die beidseits angeordnete Dichtungen aus je zwei Metallringen aufweist, deren einer steht und deren anderer mit der Bohrmeißelwelle rotiert. Bei dieser Konstruktion ist eine Entlastung der Axiallager vom Druckgefälle nicht vorgesehen.
• Bei der vorliegenden Erfindung geht es von vornherein um einen Turbinenbohrer, der nach dem Parallelstromprinzip betrieben wird, d. h. bei dem der Spülungsstrom stromaufwärts der Turbine in zwei parallele Teilströme unterteilt wird. Dabei wird ausgegangen von einem Turbinenbohrer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus dem SU-Erfinderschein 1 21102 bekannt ist.
• Bei einem solchen Turbinenbohrer gelingt wegen der Aufteilung des Spülungsstroms eine Entlastung der im Innenraum zwischen dem Gehäuse und der Welle angeordneten Radiallagerungen und der Axiallagerung; außerdem gestattet die Anwendung der Welle mit einer Axialbohrung eine operative Kontrolle der räumlichen Lage des Bohrmeißels auf der Bohrlochsohle während des Bohrens. Jedoch befindet sich die weiterhin notwendige Axiallagerung bei dieser Ausbildung in einem mit Bohrspülung gefüllten Innenraum und ist deshalb der Schleifwirkung der in dieser enthaltenen Schmirgelteilchen ausgesetzt, was eine entsprechend schnelle Abnutzung zur Folge hat.
• Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Turbinenbohrers, dessen Axiallagerung eine hohe Lebensdauer erreicht.
• Ausgehend von der gattungsgemäßen Ausbildung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Hohlwelle Dichtungen angeordnet sind, die einen Innenraum der Axiallagerung von der Bohrspülung getrennt halten. Bei einer solchen Ausbildung bleibt die Axiallagerung zuverlässig von der Schmirgelphase in der Bohrspülung verschont, und ihre Verschleißgeschwindigkeit ist erheblich herabgesetzt.
• Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsvorschlags sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Durch die Maßnahme nach Anspruch 2 gelingt eine Aufrechterhaltung des Schmierungsdrucks zumindest auf der Druckhöhe des Umgebungsmediums, was ein Eindringen der Bohrspülung in den Innenraum der Axiallagerung zusätzlich verhindert.
• Wenn jede der Dichtungen beidseits der Axiallagerung gemäß Anspruch 3 ausgeführt ist, ergibt sich eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Gehäuse und der Hohlwelle. Bei Ausbildung gemäß Anspruch 4 ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise.
• Anspruch 5 hat ein besonders niedriges Gewicht und eine hohe Vibrationsfestigkeit zur Folge.
• Die Anwendung eines Schmierungsdruckreglers gemäß Anspruch 6 verhindert jedes unzulässige Ansteigen des Drucks der Schmierung bei deren Erwärmen im Innenraum der Axiallagerung und demzufolge auch einen hierdurch bedingten Ausfall der Bauteile der Dichtung während des Bohrbetriebs.
• Bei der Ausbildung gemäß Anspruch 7 stellt der durch die drei Dichtungselemente gebildete geschlossene Innenraum einen Pufferraum dar, durch den das Überströmen der Bohrspülung in den Innenraum der Axiallagerung verhindert wird, während der Druckregler eine gleichmäßigere Verteilung der Flächenpressungen der Dichtungselemente bewirkt und im Pufferraum den gewünschten Druck aufrechterhält. Dies bringt eine erhöhte Betriebssicherheit der Dichtung mit sich.
• Bei Ausbildung des Druckreglers gemäß Anspruch 8 als ein federbelastetes Kugelventil mit einer geeichten Druckkraft der Feder wird dieser zu einem Dosierungsventil.
• Die Erfindung wird nachstehend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen F i g. 1, 1' die Ansicht des Turbinenbohrers, teilweise längsgeschnitten und zeichnerisch an den Linien a-a bzw. a'-a'in zwei Abschnitte unterteilt; Fig.2 eine erste Ausbildung einer Dichtung im Längsschnitt; Fig.3 eine zweite Ausbildung einer Dichtung im Längsschnitt; F i g. 4 eine dritte Ausbildung einer Dichtung aus drei hintereinander angeordneten, einander berührenden und einen Innenraum bildenden Dichtungselementen mit einem Druckregler.
• Der Turbinenbohrer hat ein an einem Bohrgestänge 2 zu befestigendes und in seiner Mantelfläche eine Radialöffnung 3 zum Austritt der Bohrspülung aufweisendes Gehäuse 1, eine aus Statorteilen 4 und Läufern 5 bestehende Mehrstufenturbine und eine Hohlwelle 6 mit einer Axialbohrung 7. Die Statorteile 4 sind im Gehäuse 1 und die Läufer 5 auf der Hohlwelle 6 befestigt. Vor dem Eintritt des Spülungsstroms in die Mehrstufenturbine ist eine Eintrittskammer 8 und hinter der letzten Stufe der Mehrstufenturbine eine Austrittskammer 9 vorgesehen.
• Der Turbinenbohrer ist in Radiallagerungen 10 und einer Axiallagerung 11 gelagert. Die Radiallagerungen 10 dienen der Zentrierung der Hohlwelle 6 im Gehäuse 1, während die Axiallagerung 11 die Axialkräfte des Gehäuses 1 auf die Hohlwelle 6 überträgt. Diese trägt einen Bohrmeißel 13, in dem von einer Meißelkammer 15 ausgehende Spüldüsen 14 ausgebildet sind, durch welche die Bohrspülung auf die Bohrlochsohle gelangt.
• Die Axiallagerung 11 befindet sich in einem durch Dichtungen 16 und 17 begrenzten Innenraum 12. Die Dichtungen halten den Innenraum von der Bohrspülung getrennt. In ihm ist auch eine Schmierpresse 18 mit ihrer Auffüllbüchse 19 eingebaut. Ein mit Schmiermittel aufzufüllender Ringraum 20 der Schmierpresse 18 steht mit dem Innenraum 12 der Axiallagerung 11 in Verbindung.
• Das Bohrgestänge 2 weist eine Axialbohrung 21 auf, die in die Eintrittskammer 8 und die Axialbohrung 7 der Hohlwelle 6 mündet. Die Austrittskammer 9 steht mit der Radialöffnung 3 in Verbindung, während die Meißelkammer 15 mit der Axialbohrung 7 der Hohlwelle 6 verbunden ist.
• Zur Befestigung der Statorteile 4 im Gehäuse 1 ist ein Übergangsstück 22 vorgesehen. Die Läufer 5 sind auf der Hohlwelle 6 mittels einer Mutter 23 befestigt.
• Bei der Ausbildung der Dichtungen 16 und 17 gemäß F i g. 2 besteht jede derselben aus zwei sich berührenden Dichtungselementen 24 und 25, von denen das Element 24 im Gehäuse 1 und das Element 25 auf der Hohlwelle 6 befestigt ist. Der Innenraum 12 zwischen den Dichtungen wird über die Auffüllbüchse 19 mit einem Schmiermittel gefüllt.
• F i g. 3 zeigt eine Ausführung der Dichtungen 16 und 17, bei der die Dichtungselemente Scheiben 26 und 27 sind, von denen die Scheiben 26 aus elastischem Werkstoff hergestellt nd.
• Bei der Ausbildung gemäß Fig.4 besteht jede Dichtung aus drei Dichtungselementen 28,29 und 30, die längs der Wellenachse 6 hintereinander und einander berührend angeordnet sind und einen geschlossenen Innenraum 31 bilden. Im Dichtungselement 29 ist ein Druckregler eingebaut, nämlich ein federbelastetes Kugelventil 32. Der geschlossene Innenraum 31 hat über das federbelastete Kugelventil 32 mit dem Innenraum 12 der Axiallagerung 11 Verbindung.
• Der Betrieb des beschriebenen Turbinenbohrers verläuft wie folgt: Die von einer nicht gezeigten Pumpe durch das Bohrgestänge 2 nach unten gepumpte Bohrspülung wird im Übergangsstück 22 in zwei parallele Teilströme aufgeteilt, von denen der eine über die Eintrittskammer 8 in die Mehrstufenturbine gelangt, wo er seine Druckenergie arbeitsleistend abgibt und nach entsprechendem Druckabfall über die Austrittskammer 9 durch die Radialöffnung 3 in den Ringraum des Bohrlochs austritt. Der andere Teilstrom der Bohrspülung durchströmt parallel die Axialbohrung 7 der Hohlwelle 6 und gelangt durch die Meißelkammer 15 in die Spüldüsen 14, in denen seine Druckenergie in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Dabei ist das in den Spüldüsen 14 des Bohrmeißels 13 umgesetzte Druckgefälle gleich dem, das in der Mehrstufenturbine verarbeitet wird.
• Die Läufer 5 treiben die Hohlwelle 6 und damit den Bohrmeißel 13.
• Wie aus F i g. 1 ersichtlich, wird die Dichtung 16 durch die Aufteilung des Spülungsstromes von dem Druckge- fälle an den Spüldüsen 14 des Meißels 13 entlastet, weil der andere Teilstrom unter Umgehung des Innenraumes 12 der Axiallagerung 11 noch vor der Dichtung 16 durch die Öffnung 3 ausfließt.
• Die Schmierpresse 18 erzeugt an beiden Dichtungen 16 und 17 einen Gegendruck und verhindert dadurch ein Eindringen der Bohrspülung in den Innenraum 12.
• Bei einer Veränderung des Schmiermitteldrucks im Innenraum 12 stellen die Druckregler den Druck im geschlossenen Innenraum 31 unter Aufrechterhaltung der vorgeschriebenen Verteilung der Flächenpressungen in den Dichtungen nach.
• Auch bei eventuellen Vibrationen des Turbinenbohrers sichern aus einem elastischen Werkstoff hergestellte Dichtungen 16 und 17 eine zuverlässige Trennung des Innenraums 12 von der Bohrspülung. Somit ergeben sich ein zuverlässiger Schutz der Axiallagerung vor Einwirkungen der Bohrspülung und eine verlängerte Betriebsdauer des Turbinenbohrers.
• Die Erfindung ist ebenso anwendbar, wenn der Turbinenbohrer nicht mit drehender Welle, sondern mit drehendem Gehäuse betrieben wird. in diesem Fall wird die Welle des Turbinenbohrers mit dem Bohrgestänge verbunden, während sein Gehäuse den Bohrmeißel trägt. Die Statorteile wirken jetzt als Läufer und umgekehrt. Umstellungsarbeiten sind nicht erforderlich.
• Bei einer solchen Ausführung des Turbinenbohrers können durch die Bohrgestängerohre und die Wellenbohrung verschiedene Geräte, z. B. zur Bestimmung der Bohrlochsohlenkoordinaten, bis zu den Spüldüsen ohne Aufholen des Turbinenbohrers abgesenkt werden, und die Messungen können unmittelbar im Bereich des Meißels durchgeführt werden.
• Der erfindungsgemäße Turbinenbohrer kann beim Bohren tiefer Erdöl- und Erdgasbohrlöcher unter schweren, komplizierten Gebirgsverhältnissen sowie beim Niederbringen von R ichtbohrungen Anwendung finden.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Turbinenbohrer mit eingangs durchgeführter Aufteilung des Spülungsstroms in zwei parallele Teilströme, der ein Gehäuse mit einer Radialöffnung in der Mantelfläche zum Durchgang des einen Teils der Bohrspülung, eine im Gehäuse angeordnete Mehrstufenturbine mit einer mit dem Bohrgestänge hydraulisch verbundenen Eintrittskammer sowie mit einer über die Radialöffnung im Gehäuse mit dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Bohrlochwand hydraulisch in Verbindung stehenden Austrittskammer und eine im Gehäuse in Radiallagerungen'und einer Axiallagerung gelagerte und eine Axialbohrung aufweisende Welle aufweist, wobei die den anderen Teil der Bohrspülung leitende Axialbohrung hydraulisch mit dem Bohrgestänge und einer Meißelkammer über den Spüldüsen im Bohrmeißel verbunden ist, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß im Ringraum zwischen dem Gehäuse (1) und der Hohlwelle (6) Dichtungen (16, 17) angeordnet sind, die einen Innenraum (12) der Axiallagerung (11) von der Bohrspülung getrennt halten.
2. 2. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Dichtungen (16, 17) längs der Achse der Welle (6) eine Schmierpresse (18) eingebaut ist, deren mit der Schmierung auszufüllender Ringraum (20) mit dem Innenraum (12) der Axiallagerung (11) in Verbindung steht.
3. 3. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (16, 17) zumindest zwei miteinander in Berührung tretende Dichtungselemente (24, 25) enthält, von welchen das eine Element (24) im Gehäuse (1) und«bsaAdere Element (25) auf der Hohlwelle (6) befestigt sind.
4. 4. Turbinenbohrer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Ausführung jedes der miteinander in Berührung tretenden Dichtungselemente in Form einer Scheibe (26, 27
5. 5. Turbinenbohrer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Ausführung zumindest eines der miteinander in Berührung tretenden Dichtungselemente (30) aus elastischem Werkstoff.
6. 6. Turbinenbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem der miteinander in Berührung tretenden Dichtungselemente (29) ein Regler (32) des Schmierungsdruckes im Innenraum (12) der Axiallagerung (11) eingebaut ist.
7. 7. Turbinenbohrer nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zumindest aus drei längs der Achse der Welle (6) hintereinander angeordneten, miteinander in Berührung tretenden Dichtungselementen (28, 29 30) besteht, die einen geschlossenen Innenraum (31) bilden, der über den zumindest in einem der miteinander in Berührung tretenden Dichtungselemente (29) eingebauten Regler (32) des Drucks im Innenraum (12) der Axiallagerung (11) mit diesem kommuniziert.
8. 8. Turbinenbohrer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Ausführung des Druckreglers (32) in Form eines federbelasteten Kugelventils.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenbohrer, wie er bei der Suche nach und der Ausbeutung von Erdöllagerstätten und Erdgasfeldern, insbesondere unter komplizierten geologischen Gebirgsverhältnisssen verwendet werden kann. Ein solcher Turbinenbohrer muß eine operative Kontrolle der räumlichen Lage des Bohrmeißels auf der Bohrlochsohle während des Bohrvorganges ermöglichen und soll eine hohe Lebensdauer haben, um die Gesamt-Betriebskosten niedrig zu halten.

   Ein zur Zeit breite Anwendung findender Turbinenbohrer, wie er aus dem SU-ES 3 73 383 bekannt ist, verwirklicht das Einstromprinzip, d. h. die Bohrspülung durchströmt ihn ohne Aufteilung in Teilströme. Dieser Turbinenbohrer enthält ein Gehäuse, eine massive Welle, eine Mehrstufenturbine sowie radiale und axiale Lagerungen. Das Gehäuse ist an das Bohrgestänge angeschlossen und die Vollwelle trägt den Bohrmeißel.

   Die Axiallagerung wird vermittels Dichtungen von der Bohrspülung getrennt gehalten und weist einen mit Schmierung ausgefüllten Innenraum auf.

   Bei dem Bohrspülungs-Einstromprinzip tritt die ganze Spülung in die Mehrstufenturbine hinein, in welcher sie unter Ausbildung eines Druckgefälles die Welle und den Bohrmeißel in Drehung versetzt. Aus der Mehrstufenturbine gelangt sie in die Spüldüsen des Bohrmeißels. Dabei werden die Dichtungen des Innenraumes der Axiallagerung durch das Dnlckgefälle an den Spüldüsen des Bohrmeißels zusätzlich beansprucht, was eine schnelle Abnutzung dieser Dichtungen verursacht.

   Beim Betrieb mit hohen Stoßbelastungen und bei starren Berührungsoberflächen in den Dichtungen wird eine große Menge der Schmierung aus dem Innenraum der Axiallagerung verbraucht. Des öfteren reicht die Schmierungsmenge auch für nur einen Bohrabschnitt nicht aus. Eine Steigerung der Betriebssicherheit der Abdichtungen durch Vergrößerung ihrer Anzahl gelingt ebenfalls nicht, da dabei keine gleichmäßige Verteilung der Flächenpressungen in den Abdichtungen erzielbar ist.

   Schließlich erlaubt der bekannte Turbinenbohrer keine operative Kontrolle der räumlichen Lage des Bohrmeißels an der Bohrlochsohle.

   Ähnliches gilt für einen aus der US-PS 39 97 009 bekannten, nach dem Einstromprinzip betriebenen Turbinenbohrer, bei dem beidseits der Axiallagerung Dichtungen vorgesehen sind, die eine ringkanalförmige Schmierstoffkammer begrenzen, in welcher die Axiallagerung sitzt. Diese Dichtungen sind nicht zur Aufnahme von Druckgefällen geeignet, sondern gleiten unter Ausgleich der auf sie wirkenden Drücke in Axialrichtung, so daß eine weitere Stirndichtung erforderlich ist, um die genannten Dichtungen zu entlasten. Diese zusätzliche Dichtung steht ständig unter der Wirkung des Druckgefälles und ist deshalb erhöhtem Verschleiß ausgesetzt.