DE3033216A1

DE3033216A1 - Bohrmeissel-vorort-antriebsmaschine mit feststoffablenkung

Info

Publication number: DE3033216A1
Application number: DE19803033216
Authority: DE
Inventors: G.C. Dallas Tex. Jackson jun
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1979-09-14
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1981-04-16
Also published as: GB2058173B; FR2465064A1; CA1138417A; US4260031A; GB2058173A; FR2465064B1

Description

Bohrmeißel-Vorort-Antriebsmaschine mit Feststoffablenkung

Die Erfindung bezieht sich auf eine für eine Abwärtsbohrung bestimmte Vorort-Antriebsraaschine mit einem von Flüssigkeit durchströmten Lagerteil, in dem Lagerelemente tragend zwischen relativ zueinander drehbare innere und äußere Bauteile eingesetzt sind.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Erdbohrungen und betrifft insbesondere eine Vorort-Antriebsmaschine, die im Bereich des Endes eines Rotary-Bohrgestänges angebracht ist sowie von der abwärts strömenden Spülflüssigkeit zum Antrieb eines Bohrmeißels für die Ausbildung von Öl- oder Gasbohrungen betätigt wird.

Das in den USA übliche System zur Ausbildung von Ölbohrungen arbeitet mit Drehung eines Bohrgestänges, an dessen unterem Ende ein Rotary-Bohrmeißel angebracht ist. Während des Bohrens wird Spülflüssigkeit oder Bohrschlamm durch das Bohrgestänge

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abxvürts gepumpt, um das vom Meißel abgelöste Material zu entfernen. Bei einem bekannten Bohrsystem kommt eine Vorort-Antriebsmaschine zur Anwendung, die von der umlaufenden Spülflüssigkeit angetrieben wird. Gegenwärtig im Gebrauch befindliche oder eventuell verwendbare Vorort-Antriebsmaschinen sind Elektro- oder Flüssigkeitsmotoren (letztere als Turbinen, Moineau- oder Drehflügelpumpen). Die Vorort-Antriebsmaschine arbeitet in einem mit Flüssigkeit gefüllten Bohrloch, wobei die Umgebung von stark abrasiven, d.h. schmirgelnden oder schleifenden Flüssigkeiten einer jeglichen Schmierung von einem Verschleiß unterliegenden Teilen im Wege steht. Der beschränkte Durchmesser begrenzt den inneren Aufbau solcher Maschinen über das hinaus, was bei über der Erde verwendeten Antrieben möglich ist. Wenn mit Flüssigkeit geschmierte Lager zur Anwendung kommen, so werden die in der Spülflüssigkeit enthaltenen abrasiven Schmutzstoffe durch die Lager geleitet, wobei sie einen außerordentlichen Abrieb und ein frühzeitiges Versagen der Lager hervorrufen.

Vorort-Antriebsmaschinen haben einen Schublager- und einen Radiallagerteil , der das drehende Teil, an dem der Meißel befestigt ist, von einem ortsfesten Teil, an dem das Bohrgestänge befestigt ist, tragend aufnimmt. Obwohl viele Systeme aus dem Stand der Technik bekannt sind, um diesen Lagerteil abzudichten, so daß er ein begrenztes Volumen an Schmiermitteln zur Verlängerung seiner Standzeit enthält, so haben die Systeme die ihnen innewohnende Schwachstelle des Aufrechterhaltens der Dichtheit in einer Umgebung mit höherer Temperatur, mit verschmutzter Spülflüssigkeit und mit Druckabfall über die Dichtung oder Dichtungen hinweg. In Vorort-Antriebsmaschinen werden mit Flüssigkeit geschmierte Lager zwar verwendet, diese enthalten aber keine Einrichtungen oder Anordnungen, um die Menge an verstopfenden oder abrasiven Feststoffen, die durch die Lager im Lagerteil treten, zu vermindern· Beispiele für Lagersysteme in

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Vorort-Antrie-bsmaschinen zeigen die USA-Patentschriften 3 456 746, 3 516 718 und 4 029 368. Die USA-Patentschrift 3 788 4o8 zeigt für Rotary-Steinraeißel eine Wasserablenk- und -abscheidevorrxchtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eintritt von großen Teilchen an Schmutzfeststoffen oder von abrasiven Feststoffen und solchen hoher Dichte in die Lager zu beschränken bzw. zu verhindern. Eine Verringerung des Volumens der abrasiven Feststoffe verhindert eine Unterbrechung der Strömung durch die Lager und vermindert den Abrieb in diesen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe - allgemein gesagt - dadurch gelöst, daß Einrichtungen vorgesehen werden, um die abrasiven Schmutzstoffe in bzw. durch den Hohlraum des Antriebsgestänges zusammen mit dem Großteil der strömenden Spülflüssigkeit abzulenken.

Im einzelnen ist eine Vorort-Antriebsmaschine im Bereich des Endes eines Rotary-Bohrgestänges angeordnet, die durch die umlaufende Spülflüssigleeit oder durch eine andere Antriebskraft angetrieben wird, um einen Rotary-Meißel zu drehen. Durch Flüssigkeit geschmierte Lager kommen in der Antriebsmaschine zur Anwendung, und ein Anteil der Spülflüssigkeit wird zu den Lagern hin abgelenkt, während der Überschuß an Spülflüssigkeit durch Öffnungen im Bohrmeißel abgeleitet wird. Der abgelenkte Anteil an Spülflüssigkeit, der letzten Endes zur Schmierung der Lager dient, wird entlang eines Strömungsweges geführt, der einen abrupten Richtungswechsel der strömenden Flüssigkeit bewirkt. Ein solcher Strömungsweg führt zu einem Klären eines Teils der Spülflüssigkeit von unerwünschten Feststoffen, in—dem diese abgelenkt und mit dem Hauptteil der Flüssigkeit unter Umgehung der Lager durch die Antriebsmaschine und aus dem Meißel heraus abgeführt werden. Da diese abgelenkten oder abge-

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schiedeiaen Feststoffe nicht in die Lager· gelangen, wird das angestrebte Ziel eines Schutzes der Lagerteile gegen hohen Vers chUßLß err eicht.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand von in den Zeichmingen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutei-t. Es zeigen:

Fig» 1 eine Ansicht einer Vorort-Antriebsmaschine für eine Abwärtsbohrung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den gemäß der Erfindung gestalteten Lagerteil einer Vorort-Antriebsmaschine;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 vergrößerte Darstellung des in dieser Figur gezeigten Bereichs, in dem die Feststoffe abgelenkt werden;

Fig. k eine zu Fig. 3 ira wesentliche ähnliche Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.

Die Vorort-Antriebsmaschine 10 (Fig. l)weist einen nicht-*abgedichtet en Lagerteil 13 und einen Antriebsteil 11 auf, welcher von irgendeiner, zur Erzeugung einer Leistung geeigneten Art sein kann; dieser Antriebsteil 11 kann eine Wasserturbine, eine rückwärts laufende Moineau-Purape, ein Elektro- oder Drehflügelmotor sein.

Unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit wird dem Antriebsteil 11 zu- oder an ihm vorbeigeführt. Der Antriebsteil ist mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges aus rohrförmigen Teilen, die sich zur Erdoberfläche erstrecken, verbunden, wobei der Gewindeanschluß Ik dieser Verbindung dient. Die Bohr- oder Spülflüssigkeit läuft durch oder um den Antriebsteil 11 zum Lagerteil 13 dessen unteres Ende mit einem drehenden Meißelübergang 15, der den Bohrmeißel 12 trägt, verbunden ist.

An einer bestimmten Stelle wird in der Antriebsmaschine 10 der Flüssigkeitsstrom geteilt. Ein notwendiger Großteil der strö-

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menden Flüssigkeit wird durch den Meißel 12 abgeführt, um den Bohrlochboden sauberzuhalten, während ein nach Wunsch bemessener kleinerer Anteil abgelenkt und durch die Lager geführt
wird, um diese zu kühlen, für diese eine gewisse Schmierung
zu bewirken und um abreibende, einen Verschleiß hervorrufende Teilchen vom Lagerteil wegzuspülen. Die Erfindung verhindert, daß größere oder schwerere Feststoffteilchen sich zwischen den stationären und den drehenden Elementen der Lager festsetzen und diese verstopfen oder festlegen, denn solche Bohroder Spülflüssigkeiten enthalten Schmutzstoffe, wie z.B. Geröll, Kies, Reibzeug, Gummi, klebende Stoffe u.dgl., die regelmäßig die Lager beschädigen oder verstopfen können und bei bisher
bekannten Vorort-Antriebsmaschinen zu einem außerordentlichen Verschleiß führten.

Wie Fig. 2 in dem linksseitigen Teilschnitt des Lagerteils 13 der Vorort-Antriebsmaschine 10 zeigt, dreht die Antriebsspindel bzw. der Antriebsdorn 17 innerhalb des äußeren ortsfesten Gehäuses 16, wobei die Lager 21 die Drehung des Dorns 17 ermöglichen. Die umlaufende Spülflüssigkeit wird geteilt, und ein Teil dieser wird abgelenkt, so daß er durch die Lager 21 strömt. Die Spülflüssigkeit tritt in den Lagerteil 13 von dem darüber befindlichen Antriebsteil durch den Kanal 18 ein. Ein Teil der Spülflüssigkeit wird über den Durchtritt 20 zu den Lagern 21
abgeleitet, während der übrige Teil dieser Flüssigkeit durch
den Durchlaß 19 weiterströmt und über den mittigen Ringraum 2'± des Lagerteils 13 dem Meißel 12 zugeleitet wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Strömungsweg zur Kühlung und
Schmierung der Lager angegeben, und zwar wird die Strömung
in einer Aufwärtsrichtung von der hautpsächlichen Abwärtsrichtung in einem Abschnitt mit hoher Geschwindigkeit abgelenkt, wenn die Flüssigkeit aus dem Kingrauin unterhalb des
Antriebsteils aus- und in die Bohrung der Rotorwelle durch
Einlaßöffnungen eintritt. Die Trägheit der eine höhere Dichte

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ir.1 Vergleich zur Spülflüssigkeit oder zur Strömungskraft auf große, eine niedrige Dichte aufweisende Feststoffe führt diese Schmutzstoffe aus der Flüssigkeit, die in den Zulaß zu den Lagern eintritt,ab und bewirkt, daß diese Stoffe sich weiter in die Bohrung der iiotorwelle hineinbewegen, um durch den Meißel abgeführt zu xverden. Die Lager werden damit gegen eine Verstopfung geschützt, ihre Lebensdauer wird erhöht, und es werden in der schmierenden Spülflüssigkeit, die durch die Lager -strömt bzw. zu diesen abgelenkt wird, weniger abreibende Feststoffe mitgeführt.

ΐ/ie Fig. 3 zeigt, wird die durch den Kanal 18 zugeführte Spülflüssigkeit geteilt, und zwar fließt ein Teil über den Durchlaß

19 zum Bohrmeißel 12 ab, während ein Teil über den Durchtritt

20 zu den Lagern 21 fließt. Im äußeren ortsfesten Gehäuse 16 ist ein Ringbund 22 abgedichtet gehalten, der eine ab- und einwärts gerichtete Lippe 23 aufweist. Unter dieser Lippe 23 ist ein Stau-Ringbund 25 mit einer aufwärts sich erstreckenden Kante 26 angeordnet. Lippe 23 und Kante 26 haben einen Abstand zueinander und bilden so einen Fluiddurchlaß 27· Spülflüssigkeit, die in den Durchlaß 27 eintritt, muß ihre Richtung abrupt ändern. Die Trägheit von Feststoffen größerer Dichte als die Spülflüssigkeit und die Strömungskraft auf große, eine niedrige Dichte aufweisende Feststoffe verhindern, daß diese Schmutzstoffe in den Fluiddurchlaß 27 eintreten und zu den Lagern 21 geführt wer- _t den. Die Schmutzstoffe strömen im Durchlaß 19 weiter, um durch den Meißel abgeführt zu werden. Auf diese Weise werden die La» ger gegen ein Verstopfen geschützt, ihre Standzeit wird verlängert.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform für die Ablenkung der unterschiedlich schweren Teilchen aus der Spülflüssigkeit gemäß der Erfindung. Die durch den· Kanal 18a eintretende Spülflüssigkeit wird in der Weise geteilt, daß ein Teil durch den Durchlaß 19a zum Bohrmeißel weiterströmt, während ein anderer

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Teil über den Dujchtritt 20a zu den Lagern 21a abgeführt wird. Der Ringbund 22a ist innerhalb des äußeren ortsfesten Gehäuses l6a angebracht sowie abgedichtet und weist eine ab- und einwärts gerichtete Lippe 23 auf. Unterhalb dieser Lippe befindet sich ein Stau-Ringbund 25a mit einer aufwärts sich erstreckenden Kante 26a. Lippe 23a und Kante 26a können einen Verschluß bilden, wozu ein Druckdifferential vom Kanal l8a zum Durchtritt 20a erforderlich ist, um die flexible Kante oder Lippe 26a nach außen hin zu drücken, so daß ein Durchlaß 27a gebildet wird. Ein zweiter Durchlaß 28a wird von einer den Durchlaß 19a nach aufwärts mit dem Durchtritt 20a verbindenden Bohrung geschaffen. Der zweite Durchlaß 28a, der eine Drosselfunktion erfüllt, erlaubt den Durchtritt einer notwendigen Minimal-Flüssigkeitsmenge zu den Lagern. Sollte der zweite Durchlaß 28a verstopft werden, so wird das Druckdifferential vom Kanal 18a zum Durchtritt 20a ansteigen und den Verschluß im Fluiddurchlaß 27a öffnen. Spülflüssigkeit, die in den Durchlaß 28a und/oder 27a eintritt, muß ihre Richtung abrupt ändern. Die Ablenkung von Schmutzstoffen gegen einen Eintritt in die Lager 21a ist die gleiche, wie vorher zu Fig. 3 beschrieben wurde.

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Claims

DipHng. W. Meissner DipHng. P. E. Meissner DipHng. H-J. Presting Herbertstr. 22,1000 Berlin 33 Ka/425 SC-78-18 29.08.1980 Dresser Industries, Inc. Dallas, Texas 75221, USA Bohrmeißel-Vorort-Antriebsmaschine mit Feststoffablenkung Patentansprüche

1. Für eine Abwärtsbohrung bestimmte Vorort-Antriebsmaschine mit einem von Flüssigkeit durchströmten Lagerteil, in dem Lagerelemente tragend zwischen relativ zueinander drehbare innere und äußere Bauteile eingesetzt sind, gekennzeichnet durch einen einen Anteil der Flüssigkeit durch die Lager, (21) führenden Durchtritt (20), durch einen einen Anteil
der Flüssigkeit durch das innere Bauteil führenden Durchlaß (19) und durch eine die Flüssigkeit teilende sowie in den Durchtritt und den Durchlaß lenkende Einrichtung, die einen winklig angeordneten Fluiddurchlaß (27) aufweist, der mit dem Durchtritt (20) zu den Lagern (21) in Verbindung
steht.

2. Für eine Abwärtsbohrung bestimmte Vorort-Antriebsraaschine mit einem von Flüssigkeit abwärts durchtrömten Lagerteil, in dem Lagerelemente tragend ,zwischen ein relativ drehbares

Innenbauteil und ein relativ drehbares Außenbauteil eingesetzt sind, gekennzeichnet durch einen einen Anteil der Flüssigkeit durch die Lager (21) führenden Durchtritt (20), durch einen einen Anteil der Flüssigkeit durch das innere Bauteil führenden Durchlaß (19) und durch eine die Flüssigkeit teilende sowie diese in den Durchtritt (20), und Durchlaß (19) lenkende Einrichtung mit einem winkligen, mit dem Durchtritt (20) zu den Lagern (21) verbundenen Fluiddurch- laß (27), der der zum Durchtritt (20) strömenden Flüssigkeit eine abrupte Richtungsänderung und vor Einleitung in den Durchtritt (20) eine allgemein aufwärts gerichtete Strömung vermittelt.

3. Für eine Abwärtsbohrung bestimmte Vorort-Antriebsmaschine, gekennzeichnet durch einen Antriebsteil (11) und durch einen Lagerteil (I3), bei dem Lager (21) tragend zwischen ein als Hohlwelle ausgebildetes inneres Bauteil (17) sowie ein äußeres Gehäuseteil (l6), von denen das eine relativ zum anderen drehbar ist, eingesetzt sind, durch einen von Spülflüssig keit abwärts durchströmten Ringkanal (l8) zwischen dem Antriebs- und Lagerteil, durch Strömungswege mit Durchlässen (19) zur Hohlwelle und Durchtritten (20) zu den Lagern (21) und durch Einrichtungen (23, 25, 26) bei den Strömungswegen, die aus der abwärts fließenden Spülflüssigkeit, die über die Durchlässe (19) dem Hohlteil (2k) der Welle zufließt, einen Anteil mit allgemein aufwärtiger Strömungsrichtung zu den Lagern (21) hin ablenken.

k. Für eine Abwärtsbohrung bestimmte Vorort-Antriebsmaschine, gekennzeichnet durch einen Antriebsteil (11) und durch einen Lagerteil (13)> der zwischen ein als Hohlwelle ausgebildetes Innenbauteil (17) und ein Außengehäuseteil (l6), von denen das eine relativ zum anderen drehbar ist, eingesetzte Lager aufweist, durch einen Ringkanal (l8) zwischen Antriebs- und

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Lagerteil, in dem Spülflüssigkeit abwärts strömt, durch Strömungswege mit Durchlässen (19) zur Hohlwelle und Durchtritten (20) zu den Lagern (21), durch Einrichtungen (23, 25, 26) an den Strömungswegen, die einen Anteil der in die Durchtritte (20) zu den Lagern (21) abwärts strömenden Spülflüssigkeit zu einer allgemein aufwärtigen Richtungsänderung gegenüber dem weiter allgemein abwärts zum Hohlteil (2k) der Welle strömenden Anteil zwingen, und durch flexible Teile (26a) in den Strömungswegen, die nach Wahl die in den Durchtritten abwärts zu den Lagern strömende Spülflüssigkeit zu einer aufwärtigen Richtungsänderung zwingen und auf die Strömung in den Durchlässen (I9a, 28a) zu den Lagern ansprechen.

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