DE3008856A1 - Hydraulischer bohrmotor zum tiefbohren - Google Patents

Hydraulischer bohrmotor zum tiefbohren

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DE3008856A1 DE19803008856 DE3008856A DE3008856A1 DE 3008856 A1 DE3008856 A1 DE 3008856A1 DE 19803008856 DE19803008856 DE 19803008856 DE 3008856 A DE3008856 A DE 3008856A DE 3008856 A1 DE3008856 A1 DE 3008856A1
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Description

HYDRAULISCHER BOHRMOTOR ZUM TIEFBOHREN
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Fußtiefbohrmotor mit axialem Durchfluß, insbesondere zum Bohren von ülbrunnen und Wasserbrunnen, wobei dem an den Motor angeschlossenen Bohrer das Drehmoment durch die Energie der strömenden Bohrflüssigkeit übermittelt wird.
Die Drehspühlköpfe, die zum Bohren von Kohlenwasserstoffbrunnen verwendet werden, und die sogenannten Fußbohrmotoren sind bekannt.
Unter diesen bekannten Einrichtungen ist die Bohrturbine eine gewöhnliche Einrichtung, deren Drehzahl, Drehmoment und Wirkungsgrad - wie bei allen strömungstechnischen Maschinen - von dem Flüssigkeitsstrom und der Belastung abhängen.
Die Nachteile der Bohrturbine bestehen darin, daß sie im Falle einer Überlastung ausfällt, gegen Verunreinigungen empfindlich ist, eine relativ kurze Lebensdauer aufweist und die Inbetriebsetzung und Ingangsetzung umständlich ist.
Bei einem elektrischen Fußbohrmotor verursachen die im Bohrloch herrschenden Wärme- und Druckverhältnisse Schwierigkeiten bei der Isolation;
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die entsprechende Drehzahl und das entsprechende Drehmoment können im allgemeinen nur mit Hilfe einer Getriebeübersetzung gewährleistet werden. Die Verwendung eines elektrischen Fußmotors wird auch durch die Kabelanschlüsse verhindert oder mindestens begrenzt. Es sind VoIumenverdrängungs-Lochfuß-Bohrmotoren bekannt, die einen Stator mit einer mehrgängigen inneren Wendel fl äche, und einen Rotor mit einer vom Stator unterschiedliche Gangzahl aufweisenden äußeren Wendelfläche enthalten.
Bei diesen bekannten hydraulischen Fußbohrmotoren ist es nachteilig, daß die Schwerlinie des Rotors mit der Mittellinie des Mantels nicht Ubereinfällt und während des Betriebes sich die Mittellinie (Schwerlinie) des Rotors entlang einer Kreisbahn um die Mittellinie des Stators bewegt, und demzufolge kann die Drehbewegung des Rotors nur mit Hilfe einer Kardanwelle auf dem Bohrer, bzw. auf die die Rotation übermittelnde Antriebswelle übertragen werden. Die Kardanwelle schließt einen Winkel mit dem Rotor bzw. der Antriebswelle ein, und so wird die Reibkraft zwischen dem Stator und dem Rotor durch die sich aus der Schrägheit der Kardanwelle ergebende radiale Komponente der Reaktionskraft der aus dem hydraulischen Druck auf den Rotor wirkenden Kraft vergrößert, wodurch der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Bohrmotors wesentlich vermindert werden. Der Kardanmechanismys kann in einen Bohrmotor mit bestimmter Länge nur auf Kosten des das Drehmoment erzeugenden nützlichen Motorteiles eingebaut werden, und der nützliche Querschnitt zur Durchlaß des das
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Drehmoment liefernde Energie tragenden Mediums kann im allgemeinen nur einen kleinen Anteil des Werkzeugquerschnittes ausmachen. Wegen der Exzentrizität der Schwerlinie des Rotors treten bei großen Drehzahlen wesentliche Massenkräfte auf, die die Oberflächen des Stators und des Rotors schädlich belasten, Vibrationen hervorrufen und zum Ermüdungsbruch des Bohrrohres führen. Die erhöhte Reibkraft vermindert auch das zum Bohren verwendbare Drehmoment.
Bei einer weiteren bekannten Lösung dreht sich der zum Drehen des Bohrwerkzeuges geeignete Rotor (Spindel) um die eigene Schwerlinie, d.h. keine Vibration auftritt, aber der Rotor ist mit dem Mantel (Gehäuse) nicht konzentrisch. Zur Synchronisation bzw. übertragung der Drehungen dienen Zahnräder, die hauptsächlich wegen des Platzbedarfes bei Bohren nicht geeignet sind; die übertragung der Rotation des sich drehenden Stators (sogenannte Drehkammer) oder der Spindel in die Mittellinie des äußeren Mantels und die Aufrechterhaltung des auch im Falle eines Festlaufens nötigen Spülstromes sind nicht gelöst.
Zweck der Erfindung ist, die erwähnten Nachteile der bekannten Lösungen zu beseitigen, und einen Fußbohrmotor zustande zu bringen, mit dessen Hilfe die Wirtschaftlichkeit, Wirksamkeit und Leistung einer Bohrung, insbesondere Tiefbohrung, gesteigert werden kann, die Montage, die Inbetriebsetzung und die Bedienung vereinfacht, die Betriebssicherheit vergrößert, ein vibrationsfreier Betrieb gewährleistet und der Wirkungsgrad im vollen Betriebsbereich gesteigert werden kann.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß das volumetrische Prinzip restlos zur Geltung kommt, bei einer mit großem Drehmoment, guten Wirkungsgrad und vibrationsfrei arbeitenden Drehkammerausführung des erfindungsgemäßen Bohrmotors, infolge der statischen und dynamischen Ausgeglichenheit der sich drehenden Teile, die Drehzahl und die Leistung des Bohrwerkzeuges zur Geschwindigkeit bzw. zum Druck des durchströmenden Mediums jeweils proportional ist, und demzufolge ist der erfindungsgemäße Bohrmotor z.B. zum Bohren von ölbrunnen wirtschaf1tich verwendbar. Die Erfindung kann insbesondere vorteilhaft zu sehr tiefen und gerichteten Schrägbohrungen verwendet werden,weil der erfindungsgemäße Bohrmotor ermöglicht, das in den geraden tiefen oder nötigenfalls schrägen Bohrlöchern arbeitende Bohrwerkzeug mit kleinem Energieverlust und großem Drehmoment zu betreiben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einer zur Richtung der Strömung parallelen und eine z^- gängige innere Wendelfläche aufweisenden Kammer und aus einer innerhalb der Kammer befindlichen, eine (zQ = Z^ + 1)-oder (zQ = z^ - 1)-gängige äußere Wendelfläche mit einer mit der Kammer übereinstimmenden Windungsrichtung aufweisenden Spindel. Das Querprofil der Spindel oder der Kammer stellt eine Orthozykloide, eine verkürzte Zykloide oder eine gestreckte Zykloide dar. Im Falle einer Spindel mit Zykloidenquerprofil ist das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Kammer, und im Fall einer Kammer mit Zykloidenquerprofil ist das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Spindel durch die äußere bzw.
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innere HUTIkurve der durch die Zykioide während der nachstehend beschriebenen relativen Bewegung gestreiften Oberfläche begrenzt. Die Achse der Spindel läuft in einem Abstand "e" parallel zur Achse der Kammer, aber bei der Drehkammerausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrmotors - um die Massenkräfte und die Vibration zu vermeiden - ist die Achse der Spindel mit dem zy-1inderförmigen äußeren Mantel ständig konzentrisch. Die Gewindesteigung h der Spindel ist die ζ /z.-fache
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der Gewindesteigung h. der Kammer; jedes Querprofil der Spindel paßt sich an das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Kammer spielfrei oder mit einem minimalen Spiel an, und teilt das Lichtraumprofil der Kammer infolge der veränderlichen Steigung entlang der Mittellinie auf veränderliche (sich stetig vergrößerende oder vermindernde) Oberflächenteile auf, wodurch zwischen den Gewinden der Kammer und der Spindel geschlossene Volumenteile (Räume) gleicher Länge und Form für das die Einrichtung betreibende Medium (im allgemeinen SpülflUssigkeit oder Gas) bleiben. Diese Raumteile wiederholen sich entlang der Mittellinie kettenartig, aber voneinander abgetrennt, in Abständen von 1 = h^/z^ = hQ/z0, in gleicher Phase; der Einlaßseite ist von der Auslaßseite mindestens einfach abgetrennt; dadurch wird gewährleistet, daß im Ruhezustand der Einrichtung (oder z.B. im Falle eines Festlaufens) das Medium ohne Energieabgabe nicht durchfließen kann.
Bei der DrehkammerausfUhrungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Kammer im druckbeständigen Gehäuse mit einer Exzentrizität "e" gelagert, und die
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Spindel liegt in der Mittellinie des druckfesten Gehäuses.
Bei der Fixkammerausführungsform, die auch mit einer geringen Drehzahl vorteilhaft betrieben werden kann, sind der Mantel und die Kammer konzentrisch; die Spindel liegt hier exzentrisch in einem Abstand "e" von der Mittellinie des Stators. Bei der Drehkammerausführungsform ist die Spindel mit dem Gestänge oder der das Bohrwerkzeug einspannenden Antriebswelle mit Hilfe einer bekannten Kupplung direkt verbunden.
Bei der Fixkammerausführungsform muß eine Kardanwelle zwischen die exzentrische Spindel und die zentrisch gelagerte, das Bohrwerkzeug einspannende hohle Antriebswelle eingefügt werden. Bei der Fixkammerausführungsform ist die Spindel nicht gelagert, und die Richtung ihrer Exzentrizität wird durch die momentane Winkellage der Spindel bestimmt.
Bei der Drehkammerausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dreht sich die Kammer mit einer Drehzahl von n^ und die Spindel mit einer Drehzahl von η = (z^/Zq) · n. zu Lasten der Druckenergie des strömenden Mediums, entsprechend der Menge des eingedruckten Mediums und der Zwangsverbindung der Profile bzw. der Modifikation der Profile, wobei sich das das Medium befördernde Volumenelement mit einer Geschwindigkeit von V = n,, · h. = η · h , ohne Formen- und Volumenänderungen, drallfrei in Achsenrichtung vorwärts nach der Niederdruck-Auslaßseite bewegt.
Bei der Fixkammerausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung bewegt sich nur die durch die innere Wendelfläche der Fixkammer geführte Spindel unter Wirkung des strömenden Mediums. Die Bewegung der Spindel
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entspricht mit der Kammer verglichen, der relativen Bewegung der Spindel bei der DrehkammerausfUhrungsform, aber hier führt die Spindel wegen der befestigten Kammer eine Planetenbewegung aus: sie dreht sich um die eigene Achse und läuft um die Achse der Kammer und des Mantels um. Hierbei bewegen sich die zwischen den Gewinden der Kammer und der Spindel entstehenden Volumenelemente drehend nach der Auslaßseite.
Die Drehkammerausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung hat keine oszillierenden Bauteile. Die mehrgängige Kammer und Spindel drehen sich infolge der Symmetrie der Profile um die eigene Schwerlinie, und die eingängige Kammer und Spindel, insbesondere im Falle von großen Drehzahlen, können durch entsprechend angeordnete Verjüngungen oder Ausnehmungen statisch und dynamisch ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beispielsweise erläutert. In den Zeichnungen sind
Figur 1: Drehkammerausführungsform der er
findungsgemäßen Einrichtung mit einer eine eingängige Wendelfläche (mit einem einfachen Epizykliodenprofi1) aufweisenden Drehkammer und mit einer zweigängigen Spindel mit ellyptischen Profil, in Längsschnitt,
Figur 2: Schnitt A-A und Schnitt B-B (dUnne Linie) nach Figur 1,
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Figur 3: die Fixkammerausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer eine dreigängige Wendelfläche (mit dreifachem Epizykloidenprofil) aufweisenden Kammer und mit einer viergängigen Spindel mit vierfachem Hypozykloidenprofi1, in Längsschnitt, und
Figur 4: Querschnitt C-C nach Figur 3.
Figur 1 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, die auch unter extremen Betriebsbedienungen vorteilhaft verwendet werden kann. Eine exzentrische Buchse 2 ist in dem an beiden Enden mit Verjüngungsgewinden versehenen Mantel 1 befestigt. Die exzentrische Buchse 2 bildet das radiale Lager der Kammer 3, die als eine Drehkammer mit einer eingängigen inneren Wendelfläche ausgebildet ist. Die exzentrische Buchse 2 ist zur Zentrierung der Schwerlinie und zur Gewährleistung des Nebenstromes des Mediums mit Verjüngungen der Ausnehmungen und zur Schmierung mit Spiralen Nuten und radialen Bohrungen an der inneren Oberfläche versehen. Die Kammer 3 liegt in axialer Richtung zwischen dem Fußlager 4 und dem übergang 5. Der Obergang 5 ist mit einer oder mehreren Bohrung(en) versehen, die in die Nebengänge der exzentrischen Buchse 2 führt (führen); die Winkellage ist durch den Paßstift 6 gesichert. Die Zentrierung des Fußlagers 4 wird durch den exzentrischen Lagersitz, der in der oberen Ebene des in den Mantel 1 mit Obergangspassung montierten Zwischenstückes 7 liegt, und die entspre-
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chende Richtung der Exzentrizität wird durch den Paßstift 8 gewährleistet. Der asymmetrische innere Hohlraum des Zwischenstücks 7, der zur Durchführung des Arbeitsmediums dient, ist über eine Bohrung (Bohrungen) mit den Nebengängen der exzentrischen Buchse 2 verbunden. Die Bohrung (Bohrungen), die im Obergang 5 ausgebildet ist (sind), und in die Nebengänge der exzentrischen Buchse 2 führt (führen) die Nebengänge der exzentrischen Buchse 2 und die Bohrung (Bohrungen), die in den inneren Hohlraum des Zwischenstückes 7 führt (führen), bilden ein Umgehungsrohrsystem. Das Umgehungsrohrsystem gewährleistet die Aufrechterhaltung eines verminderten Spülstromes im Falle eines Festlaufens des Bohrwerkzeuges. Die durch den hydraulischen Druck während des Betriebes erzeugte und auf die Kammer 3 wirkende axiale Kraft wird über das Fußlager 4 und das Zwischenstück 7 auf die obere Ebene des Lagergehäuses 9, das an das eine Verjüngungsgewinde aufweisende untere Ende des Mantels 1 angeschlossen ist, übertragen. Die Antriebswelle 11, die die Rotation der eine zweigängige Wendelfläche aufweisenden Spindel 10 auf das Bohrwerkzeug überträgt, ist in das Lagergehäuse 9 eingebettet. Die Antriebswelle 11 ist in radialer Richtung durch eine in das Lagergehäuse 9 eingepreßte Buchse 12, und in axialer Richtung durch ein Fußlager 13 und ein weiteres mit einer Lagermutter 14 befestigtes Fußlager 15 unterstützt. Das Gewicht der Spindel und die Kraft, die während des Betriebes durch den ■ hydraulischen Druck erzeugt wird und auf die Spindel wirkt, belasten das Fußlager 15 über eine Kupplung 16, die Antriebswelle 11 und die Lagermutter 14, und die axiale Belastung des Bohrwerkzeuges wird über das Fußlager 13 und die Antriebswelle 11 übertragen. Das Spülmedium gelangt aus dem asymmetrischen Hohlraum des Zwischenstückes 7 über die am Mantel der Antriebswelle
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ausgebildeten öffnung (öffnungen) und über die in axialer Richtung liegende zentrische Bohrung zu Düsen des Bohrwerkzeugs, bzw. zum Fuß des Loches. Der obere Zapfen der Spindel 10 ist in einem mit einer Übergangspassung in den Mantel 1 montierten Spindellager gelagert, dessen sich an den Mantel 1 anpassender äußerer Ring und die das Spindellager bildende Nabe mit Hilfe von stromlinienförmigen Speichen verbunden sind. Das Spindellager 17 ist durch den Paßstift 18 gegen Verdrehung gesichert. Ein Schieber 20, der durch eine Schraubenfeder 19 in oberer Lage gehalten wird, kommt während des Betriebes unter Wirkung der Druckdifferenz, gegen die Federkraft, in die untere Lage und verschließt den ringförmigen Raum, der zu den am Mantel 1 ausgebildeten radialen Bohrungen führt. Wenn die Strömung des Mediums aufhört, kommt der Schieber 20 in die obere Lage, und das Spülmedium kann die Filter 21 und die Bohrungen, die am Ring des Spindel lagers ausgebildet sind, frei durchlaufen. Derart gewährleistet der Schieber 20 während des Betriebes den zum Drehen der Spindel nötigen Oberdruck, bei Einbau die Aufladung der Einrichtung, und beim Aufholen des Bohrgestänges die Einführung des im Bohrrohr befindlichen SpUlmediums in das Loch.
In Figur 3 ist eine vorteilhafte Fixkammerausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, wobei auch neben einer geringen Drehzahl ein hohes Verdrehmoment gewährleistet wird. Eine Kammer 23 ist
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in den Mantel 22 fest eingepaßt. Die Kammer 23 ist als eine Fixkammer mit innerer Wendel fläche ausgebildet. Das Querprofil der Kammer 23 stellt eine dreifache Epizykloide dar. Die mit einer äußeren Wendelfläche versehene Spindel 24 paßtsich an die Wendelfläche der Kammer 23. Die Spindel 24 weist ein vierfaches Hypozykloidenprofil auf, das in der gleichen Ebene der Kammer 23 während der relativen Bewegung durch die innere Hlillkurve der durch das Kammerprofil gesteiften Oberfläche begrenzt wird. Das durch den hydraulischen Druck hervorgerufene Verdrehmoment und die axiale Kraft werden durch die mit einem Elastomerschutzrohr versehener Kardanwelle 25 über die sich im Lagergehäuse 9 drehende Antriebswelle 11 zum Bohrwerkzeug. Bei dieser Ausführungsform gewährleistet das Ventil 27 den Nebenstrom der Spülflüssigkeit über die zentrische Bohrung der Spindel 24, wobei das Ventil 27 mit Hilfe einer Schraubenfeder 26 aufgestützt ist, und während des Betriebes unter Wirkung der Druckdifferenz, gegen die Federkraft, in die untere Lage kommt. Die radiale Durchf1ußöffnung(en) großen Querschnitts des Ventil körpers abgedeckt wird (werden) und nur die radiale(n) Bohrung(en) kleinen Querschnitts des Ventil körpers bleibt (bleiben) in geöffneter Lage (um einen verminderten Spülstrom auch im Falle eines Festlaufensaufrechtzuerhalten). Der Nebenstrom des Spülmediums tritt durch die radiale(n) Bohrung(en) des unteren Stutzens der Spindel 24 aus, und gelangt unter der Kardanwelle 25 durch die öffnung(en) des Mantels der Antriebswelle 11 und durch die axiale zentrische Bohrung zu den Düsen des Bohrwerkzeugs bzw. zum Fuß des Loches.
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Die Vorteile des erfindungsgemä'ßen hydraulischen Bohrmotors bestehen darin, daß die technologischen Forderungen des entwickelten Rotary-Bohrens restlos befriedigt werden: der vorgeschlagene Fußbohrmotor arbeitet mit großem Drehmoment, gutem Wirkungs· grad und langer Lebensdauer, wobei aufgrund des VoIumendrängungsprinzips wird die Energie des Spülmediums ausgenutzt. Die bei den bekannten, aufgrund des Volumenverdrängungsprinzips arbeitenden Fußbohrmotoren verwendete Kardanwelle erübrigt sich, weil in diesem Fall die Spindel und das Werkzeug konzentrisch sind. Im Falle eines Festlaufens wird automatisch ein verminderter Spülstrom gesichert, um die Ablagerung des Bohrgutes und die Festsetzung des Werkzeuges zu verhindern. Die Raumbegrenzungselemente schließen sich genau, ohne Überlappung, ihre Geometrie ist genau bestimmt, und demzufolge ist der sich aus der Reibung gebende Verlust minimal. Der Bohrmotor ist gegen Verunreinigungen nicht empfindlich und weist gewisse Selbstsauberfähigkeit auf; die kleinkörnigen Verunreinigungen laufen unverhindert durch den Motorteil. Die Inbetriebsetzung und Ingangsetzung des Bohrmotors ist einfach und der Motor kann sowohl bei Bohrungen als auch bei gerichteten Schrägbohrungen vorteilhaft verwendet werden.
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Claims (5)

  1. PATENTANWÄLTE
    TISCHER · KERN & BREHM
    TISCHER · KERN & BREHM
    Albert-Rosshaupter-Strasse 65 · D 8000 München 70
    Representatives before the European Patent Office Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt
    Ihr Zeichen
    Your Ref.
    Unser Zeichen Ors-6721 Our Ref. _/ma
    H. TISCHER Dipl.-Ing. W. KERN Dipl.-Ing. H. P. BREHM Dipl.-Chem., Dr. phll. nat.
    Albert-Rosshaupter-Strasse D 8000 München 70
    Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 pats d Telegramme Kernpatent München
    Datum
    Date
    ORSZAGOS KÖOLAJ- ES GAZIPARI TRöSZT
    Szt. Istvän krt. 14
    Budapest (Ungarn)
    Hydraulischer Bohrmotor zum Tiefbohren
    Patentansprüche:
    ί. Hydraulischer Bohrmotor zum Tiefbohren, mit axialem Durchfluß, insbesondere zum Bohren von öl- und Wasserbrunnen, der eine Kammer enthält, deren Achse zur Richtung der Durchströmung parallel ist, die Kammer mit einer inneren Wen-
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    delf1äche versehen ist, und in der Kammer eine Spindel mit einer äußeren Wendel fläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Querprofil der Spindel (10, 24) oder der Kammer (3, 23) eine Orthozykloide, eine verkürzte Zykloide oder eine gestreckte Zykloide darstellt, die Achse der Spindel (10, 24) im Vergleich mit der Achse der Kammer (3, 23) exzentrisch ist, und eine der Haupteinheiten des Bohrmotors, die gegebenenfalls die Spindel (10) oder die Kammer (23) ist, mit dem äußeren Mantel (22) der Einrichtung konzentrisch angeordnet ist.
  2. 2. Bohrmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (3) als Drehkammer ausgebildet ist, die auf einem Fußlager (4) aufliegt, und die Spindel (10) fest zur Antriebswelle (11) des Bohrmotors, vorzugsweise über eine Kupplung (16), befestigt ist.
  3. 3. Bohrmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (23) als eine Fixkammer ausgebildet ist, und die darin befindliche Spindel (24) über eine Kardanwelle (25) mit der gelagerten Antriebswelle (11) des Bohrmotors verbunden ist.
  4. 4. Bohrmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die innere Oberfläche der Kammer (3) als eine einfache Wendelfläche mit Epizykloidenprofil ausgebildet ist, und die Spindel (10) mit einem zweigängigen ellyptischen Profil ausgeführt ist.
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  5. 5. Bohrmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die innere Oberfläche der Kammer (23) als eine dreigängie Wendelfläche mit dreifachem Epizykloidenprofil , und die Spindel (24) als eine viergängigeSpindel mit vierfachem Hypozykloidenprofi1 ausgebildet ist.
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DE3008856A 1979-03-14 1980-03-07 Hydraulischer Bohrlochmotor Expired DE3008856C2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HU79OA619A HU184664B (en) 1979-03-14 1979-03-14 Hydraulic drilling motor for deep drilling

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