DE3433360A1

DE3433360A1 - Drosselungssystem fuer fluessigkeitsstroemung in einem absenkmotor

Info

Publication number: DE3433360A1
Application number: DE19843433360
Authority: DE
Inventors: Kenneth Wayne Arlington Tex. Bramlett; James Gary Pottsboro Tex. Dennis; G. C. Dallas Tex. Jackson jun.
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1983-10-26
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1985-05-09
Also published as: CA1223863A; US4546836A

Description

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Die Erfindung betrifft allgemein die Technik von Erdbohrungen, insbesondere einen Absenkmotor, der nahe dem Ende eines Drehbohrgestänges getragen und von der abwärts fließenden Bohrflüssigkeit erregt wird und dabei einen Drehbohrmeißel für die Bohrung nach öl- und Gasquellen oder dergleichen antreibt.

Das in den USA übliche Bohrsystem für Ölbohrungen beinhaltet die Drehung eines Stranges eines Bohrgestänges mit einem Drehbohrmeißel am Ende des Stranges. Die Leistung eines Motors oder einer Turbine an der Erdoberflä fläche wird zu dem Meißel durch die Drehung des ganzen Bohrstranges übertragen. Während des Bohrens wird Bohrflüssigkeit, allgemein Bohrschlamm genannt, durch das Innere des Bohrstranges abwärts und durch Öffnungen im Bohrmeissel hinaus gepumpt. Die Flüssigkeit spült dann das vom Bohrmeißel gelockerte Material durch den Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und Bohrloch an die Oberfläche. Viele verschiedene Umstände lassen es wUnsehenswert erscheinen, den Bohrmeißel mit Geschwindigkeiten unabhängig von der Drehung (oder Stillstand) des Bohrstranges anzutreiben. Üblicherweise ist ein Absenkmotor am oder nahe dem Ende des Bohrstranges angebracht, um dies zu bewerkstelligen. Der Motor kann ein elektrischer oder hydraulischer Motor sein. Wenn es ein hydraulischer Motor ist,kann es sich um eine Turbine, eine Verdrängerschaufel oder einen Moineau-Motor handeln.

Alle diese Motore weisen die folgenden wichtigen Elemente auf:

einen Antriebsteil mit einem Stator und Rotor, die das Drehmoment und die Drehung gegeneinander erzeugen: Axial- und Radiallagerungen zwischen festen und sich drehenden Teilen;

eine Strömungsbahn für die Bohrflüssigkeit vom Bohrstrang zum Bohrmeißel, wobei diese Bahn durch den Antriebsteil und durch oder teilweise durch die Lagerungen hindurchführen kann.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung steht jener Abschnitt der Strömungsbahn, der durch die Lagerungen neben der hohlen, am Bohrmeißel befestigten Antriebswelle führt.

Da die Bohrflüssigkeit und ihre Verschmutzungen der Funktion und Lebensdauer der Lager abträglich sind, ist die Beseitigung der Bohrflüssigkeit von Lagern oder die Kontrolle über sie durch die Lager für die Motorfunktion, Lebensdauer und Gesamtkosten der Bohrung entscheidend. So können Dichtungen die Bohrflüssigkeit von den Lagern fernhalten und eine Schmierung der Lager . mit öl für ihre Lebensdauerverlängerung sorgen.

In einem derartigen Ausführungsbeispiel komplizieren Druckausgleichsvorrichtungen und ein Ausgleichsbehälter den Aufbau, verursachen funktioneile Probleme und erhöhen Anschaffungs- und Wartungskosten. Zudem sind wirksame Dichtungen dafür bekannt, Drehmomentverluste zu bewirken und teure Reparaturen sind im Falle eines Ausfalls üblich. Kontrolle über die Flüssigkeitsströmung durch die Lagerungen ist weniger kostspielig zu warten, weniger katastrophalen Ausfällen ausgesetzt und ermöglJbht die Auswahl von Bereichen des Kolbeneffekts aufgrund des Abwärtsdruckes so, daß der hydraulische Abwärtsdruck die beteiligten Meißelbelastungen besser abgleicht, wodurch die Lagerbelastungen reduziert und die Lebensdauer der Lager verlängert werden (d.h. ein Absenkmotor ist einer vertikalen Belastung auf die Drucklager ausgesetzt, die von hohen,abwärts gerichteten Axialdrücken aufgrund des Druckes der zirkulierenden Flüssigkeit auf die inneren Werkstücke bis zu hohen, aufwärts gerichteten Schüben, wenn das Gewicht des Bohrstranges auf dem Meißel den hydraulischen Abwärtsdruck auf der Welle übersteigt, reicht ).

Es ist offenkundig, daß eine Konstruktion zum Verlängern der Motorlebensdauer sehr wichtig ist, da ein frühzeitiger Ausfall des Motors teure Ausfallzeiten der Bohranlage bewirkt.

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In den nicht abgedichteten Lagerungshalterungen nach Stand der Technik wurde die Kontrolle über die Flüssigkeitsströmung zunächst durch mit Nuten versehenen Radiallagern aus der Seefahrt vorgenommen, welche sowohl als Drosselstelle für die Strömung durch die Drucklager als auch als Radiallager fungieren. Derartige Lager aus der Seefahrt waren jedoch insoweit schlechte Drosselstellen, als sie lediglich geringen Druck auf den Meißel zuließen. Als Radiallager besaßen sie aufgrund eines hohen Abriebs innerhalb des Bohrflüssigkeitsmediums eine nur kurze Lebensdauer. Mit radialem Abrieb und radialer Bewegung wurde auch die Lebensdauer der Axiallager herabgesetzt, Lebensdauer und Wirkung des Bohrmeißels ebenfalls. Der zusätzliche Einsatz von radialen Wälzlagern in beschriebenem Aufbau erhöhte die Kosten, ohne daß dadurch eine nennenswerte Verlängerung der Lebensdauer der Radiallager erzielt worden wäre. Der weitere Zusatz von gehärteten Gleitlagern oder regulären Radiallagern ließ sie dazu neigen, feste Bestandteile des Schlamms aufzunehmen und zu verstopfen. Außerdem machten hohe Abriebsraten sie wirkungslos. Kurze Lebensdauer der Drosselstelle, die Einschränkung des Druckabfalls am Bohrmeißel auf niedrige Werte und schlechte Hydraulik waren der Anlaß dazu, einen Drosselstellenaufbau mit höherer Lebensdauer zu entwickeln, welcher keine großen Drehmomentverluste bewirkt.

Erfindungsgemäß ist ein Absenk-Bohrmotor in der Nähe des Endes eines Drehbohrstranges vorgesehen, der von der zirkulierenden Bohrflüssigkeit betrieben wird, um einen Drehbohrmeißel anzutreiben. Ein Teil der Bohrflüssigkeit wird durch die Lager des Absenkmotbrs umgeleitet, um die Lager zu kühlen und zu schmieren. Eine Drosselstelle oder eine Reihe von Drosselstellen beschränkt die Durchflußmenge der Flüssigkeit durch die Lager.

Wenn eine oder mehrere der im Betrieb befindlichen Drosselelemente verschleißen, kontrolliert ein anderes oder zusätzliche Drosselelemente die Strömung. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Drosselungssystem zu schaffen, das praktisch eine annähernd konstante Menge von Flüssigkeit durch die Lager des Absenkmotors läßt, . unabhängig von Änderungen in der Durchflußmenge oder Druck der Bohrflüssigkeit.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drosselungssystem zu schaffen, welches die Flüssigkeitsmenge beschränkt, die zur Lagerschmierung dient, und eine angemessene Flüssigkeitsmenge und -geschwindigkeit zur Reinigung des Grundloches aufrechterhält.

Das erfindungsgemäße Drosselungssytem steuert die Durchflußmenge der Bohrflüssigkeit durch die Lager und gleicht Veränderungen der Durchflußmenge und des Be-

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triebsdruckes durch Drosselung mit Ausgleichsdüsen im Bohrmeißel aus.

Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch Drosselstellen aus Metall oder geeignetem Material mit festem Querschnitt gelöst, die strömungsaufwarts vor Drosselstellen mit variablem Querschnitt angeordnet sind. Die letzteren weisen einen gummiartigen Ring auf, der zwischen einem oberen und unteren Metallring gepreßt ist, und welcher so groß bemessen ist, daß ein Ringraum zwischen den Ringen und den benachbarten Verschleißbuchsen ausgebildet ist.

Da der Druck oberhalb der Drosselstelle den oberen Metallring nach unten drückt, wird der elastomere Ring in den Ringraum hineingezwungen, welcher durch den elastomeren Ring und der gegenüberliegenden Verschleißbuchse der Drosselstelle gebildet ist, wodurch der Strömungsquerschnitt weiter vermindert wird, bis ein Ausgleich der Drosselungselemente die notwendige Gesamtdrosselung schafft, damit sie dem Düsendruckabfall bei einigen Durchflußmengen gleicht.

Längsnuten sind in der Stirnfläche der Drosselstelle ausgebildet, die einen genügend großen Strömungspfad darstellen, um Schaden durch ein völliges Absperren der Flüssigkeit zu vermeiden, für eine gleichbleibende

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Strömung der Flüssigkeit zum Ausspülen von Abriebsteilchen zu sorgen und um die Lager mit der Bohrflüssigkeit zu schmieren.

Die Größe und Anzahl der vertikalen Nuten bestimmen auch die Durchflußmenge, die im Gleichgewicht erzielt wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht eines Absenk-Bohrmotors, 15

Fig. 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Lagerund Flüssigkeitsdrosselteils eines Absenk-Bohrmotors ,

Fig. 3 einen Schnitt des Drosselungssystems,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V von

Fig. 3,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines anderen Drosselungssystems, wobei die Flüssigkeit hinter den Außenteilßn des Drosselelements fließt,

Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie VII -VII von Fig. 6,

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 6.

Nach Fig. 1 ist der Absenkmotor IO mit einem nicht abgebildeten Lagerteil 13 und Antriebsteil 11 ausgestattet, Der Antriebsteil 11 kann von jedem geeigneten Typ eines flüssigkeitsbetriebenen Antriebssein. Beispielsweise kann es eine hydraulische Turbine oder eine rückwärtslaufende Moineau-Pumpe sein, wie näher in der US-PS 28 98 087 beschrieben ist.

Der Antriebsteil 11 ist mit dem unteren Ende eines Bohrstranges aus rohrförmigen Teilen (nicht dargestellt) verbunden, die bis zur Erdoberfläche reichen. Die Schraubverbindung l4 gestattet es, das Antriebsteil mit dem Bohrstrang zu verbinden. Die Bohrflüssigkeit wird abwärts durch den Bohrstrang, durch den Antriebsteil und durch das Lagerteil 13 geleitet. Das untere Ende des Lagerteils 13 ist mit einem Meißelschaft 15 verbunden, der den Bohrmeißel 12 hält.

Nach Fig. 2 verläßt die Strömung den Antriebsteil durch den Durchgang 18, der zwischen dem Lagergehäuse 16 und dem Drehelement oder Antriebsmutter17 ausgebildet ist,

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und teilt sich dann im Kanal 19 und Umleitungskanal 20.

Der wünschenswerteste Zustand für den Hauptanteil der Gesamtströmung ist es, durch den Zentralkanal 19 zu fließen und durch den Meißel auszuströmen, um den Grund des Bohrlochs zu reinigen, sowie" mit einem notwendigerweise kleineren Anteil, der im Umleitungskanal 20 umgeleitet wird, die Lager zu kühlen, zu schmieren und Abriebsteilchen auszuspülen.

Feste Bestandteile in der Bohrflüssigkeit können von der Flüssigkeit, die durch die Lager passiert, durch die Anwendung einer Abzugsvorrichtung, wie beispielsweise aus der US-PS 42 60 031 bekannt, getrennt werden.

Während des Einsatzes eines Absenkmotors bestimmter Größe wird die tatsächliche Gesamtdurchflußmenge durch den Motor mit der Leistungsfähigkeit der hydraulischen Energieversorgung, dem Innendurchmesser der Bohr straße ile und ihrer Länge, den im Bohrmeißel angewendeten Drosselungen in Verbindung mit der Drosselung im Lagerungsteil dem Gewicht der Flüssigkeit und ihren Eigenschaften und schließlich der Lochdimension variieren.

Die Antriebsmutter 17 dreht sich in dem Lagergehäuse Die oberen Lager 21a und 21b und die unteren Lager 22a und 22b leiten die Drehung der Antriebsmutter 17 und des

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zylindrischen Meißelantriebschafts 23 weiter. Die Durchflußmenge der umgeleiteten Kühl- und Schmierflüssigkeit durch die Lager 21a, 21b, 22a und 22b wird von einem Drosselungssystem 24 mit einer Drosselstelle festen Querschnitts, sowie einer Reihe Drosselstellen 26 mit variablen Querschnitten für konstante Strömung gesteuert, welche in dem ringförmigen Bereich zwischen dem Lagergehäuse 16 und dem Meißelantriebsschaft 23 vorgesehen sind.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Teils des Drosselungssystems 24. Die Drosselstellen 25 mit festem Querschnitt sind zylindrisch-ringförmig ausgebildet und weisen eine innere radiale Ringnut 28 auf,

^ die einen durch eine obere Innennase 30 und einer unteren Innennase 32 begrenzten und gefüllten Raum bildet.

Die Nasen 30 und 32 reichen nahe an eine Verschleißbuchse 34,sind aber dennoch von ihr beabstandet. Die Buchse umgibt den Antriebsschaft 23, wodurch dazwischen ein ringförmiger Strömungspfad 29 mit festem Querschnitt gebildet wird. Das Drosselstellenauflager 31 mit ringförmigen Flansch, der sich in Richtung der Verschleißbuchse 34 erstreckt, aber noch von ihr beabstandet ist, stützt und trennt die Drosselstellen 25.

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Der Strömungspfad 29 mit festem Querschnitt zwischen den Nasen 30, 32 und der Verschleißbuchse bewirken, daß der absolute Flüssigkeitsdruck unterhalb der Drosselstellen 25 niedriger als der absolute Flüssigkeitsdruck oberhalb der Drosselstellen 25 ist.

In Fig. 4 sind zwei Aussaprungen 35 180° voneinander versetzt in der oberen Nase 30 Jeder Drosselstelle 25 erkenntlich, ähnlich wie zwei Aussparungen 36, die auch 180° voneinander versetzt sind, aber gegenüber den Aussparungen 35 um 90° verdreht sind. Die Aussparungen sind ein Teil des Strömungspfades der festen Drosselstelle und sichern, daß etwas Flüssigkeit durch das Drosselungssystem mit festem Querschnitt fließt und die Lager kühlt, wenn der radiale Abstand 29 zwischen der Verschleißbuchse 34 und den Nasen 30 und 32 der Drosselstelle mit Schmutz verstopft.

Um den Verschleiß der Drosselstellen 26 mit konstanter Strömung zu vermindern, sind eine oder mehrere Drosselstellen 25 strömungsaufwärts von ihnen vorgesehen. Die Drosselstellen 25 und 26 können auch oberhalb der oberen Lager 21 im Lagerteil 13 oder unterhalb der unteren Lager 22 vorgesehen werden, aber die bevorzugte Lage ist zwischen diesen zwei Lagern 21 und 22, da die Fehlausrichtung zwischen dem Drehschaft und dem festen Gehäuse dann minimal ist.

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Nach Fig. 3 ist jede ringförmige Drosselstelle 26 variablen Querschnitts mit konstanter Strömung zwischen einer oberen Befestigungsscheibe 38 und einer unteren Befestigungs-scheibe 40 eingebettet,die mit dem aus einem elastomer-ähnlichen Material gefertigten Ringkörper 42 für konstante Strömung verbunden sind.

Die Befestigungsscheiben 38 und 40 sind vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen verschleißfesten Material hergestellt. Für den Körper 42 wurde gefunden, daß ein "90"-härtegeprüftes Elastomer gut geeignet ist.

Zusätzlich steuert die Bindung des elastomeren Körpers an der oberen Befestigungsscheibe 38 die Verformung (d.h. radiale Ausbuchtung), des Elastomers unter Druck und hindert ihn daran, als Dichtung mit hoher Seitenkraft gegen die Verschleißbuchse zu wirken und einen hohen Drehmomentverlust zu verursachen.

In ähnlicher Weise steuert die Bindung des Elastomer-Körpers 42 an der unteren Scheibe 40 die Verformung des Elastomere und hindert ihn daran, zwischen die Befestigungs gungsplatte 40 und Verschlußhülse gepreßt zu werden und als 0-Ring einen hohen Drehmomentenverlust zu verur-Sachen.

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Es ist somit ersichtlich, daß die nichtverformbaren Scheiben, die an den Elastomer-Körper 42 gebunden sind, mithelfen, die Drosselsstellen möglichst drehmomentenverlustarm zu halten.

Fig. 5 zeigt eine Drosselstelle 26 mit variablen Querschnitt, die aus Befestigungsscheiben 38 und auf jeder Seite des Elastomer-Körpers 42 bestehen, welche einen Innendurchmesser aufweisen, der nahe an den Außendruchmesser der Verschleißbuchse 34
reicht, aber noch beabstandet ist, und einen engen Ringspalt 37 bilden, der die Flüssigkeitsströmung zwischen der Drosselstelle 26 und der Verschleißbuchse 34 drosselt.

Jedes Element der Drosselstelle 26 für konstante Strömung weist zwei diametral gegenüberliegende Aussparungen 44 auf, die im Falle eines Verschlusses des engen Ringspaltes 37 durch den Druckabfall an der Drosselstelle 26, der den Elastomer-Körper 42 so verformt, daß er gegen die Buchse 34 drückt, Flüssigkeit durch das Lagersystem fließen lassen.

Die Funktion der Drosselstelle 26 für konstante
Strömung wird im Folgenden anhand von Fig. 3
erläutert:

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Der absolute Druck der Flüssigkeit nimmt ab, während die Flüssigkeit durch die Aussparungen 44 und den engen Ringspalt 37 zwischen dem Innendurchmesser der Drosselstelle und der Verschleißbuchse 34 fließt. 5

Der Flüssigkeitsdruck nach unten gegen die obere Befestigungsscheibe 38 ist größer als der Flüssigkeitdruck unterhalb der unteren Befestigungsscheibe 40.

Ringförmige Dichtungen 46 in Nuten im ringförmigen Flansch der Drosselstelle halten die Auflager 31 mit der gegenüberliegenden Seite der darüber gelegenen Drosselstelle in Verbindung, um Flüssigkeit am Fließen zwischen Drosselstellen 25 und 26 und den Auflagern 31 zu hindern.

Der höhere, abwärts gegen die obere Befestigungsscheibe 38 gerichtete Druck drückt den Elastomer-Körper 42 gegen die untere Befestigungsscheibe 40 und Dichtung 42, wodurch der verformbare Körper 42 verzogen wird und radial sowohl nach innen als auch nach außen ausbeult.

Die nach innen gerichtete Ausbuchtung in Richtung der ^ Verschieißbuchse 34 engt den Spalt 37 zwischen dem Körper 42 und dar Buchse 34 ein und verkleinert auch den Querschnitt der Aussparungen 44.

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Je größer der Flüssigkeitsdruck,desto größer ist die Verformung,aus der eine größere Reduktion der Strömungsquerschnitte des Spaltes 32 und der Aussparungen 44 folgt, wodurch annähernd dieselbe Flüssigkeitsmenge durch die Drosselstelle bei erhöhtem Flüssigkeigdruck fließt.

In Fig. 6 ist eine Schnitt-ansicht einer anderen Ausführung eines Drosselungssystems 47 dargestellt. Dieses System 47 weist eine Drosselstelle 48 mit festem Querschnitt auf, die als zylindrischer Ring ausgebildet ist, eine äußere Radialnut 50 aufweist, welche einen äußeren gefüllten Raum und eine obere äußere Nase und eine untere äußere Nase 56 festlegt.

Jede.der Nasen endet an einer Außenseite,die leicht von einer äußeren Verschleißbuchse 62 beabstandet ist und einen ringförmigen Strömungspfad 54 festlegt . Ein äußeres Drosselstellenauflager 60 trennt die Drosselstellen voneinander und stützt sie. Die gedrosselte Strömungsbahn 54 verursacht einen Druckabfall, wenn die Strömung zwischen der Drosselstelle 48 und der inneren Verschleißbuchse 62 entlangfließt.

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Der absolute Flüssigkeitsdruck unterhalb der äußeren Drosselstelle 48 ist niedriger als der absolute Flüssigkeitdruck oberhalb dieser Stelle. Der höhere Druck oberhalb der Drosselstelle 48 drückt sie gegen das Auflager 60 zwischen benachbarten Drosselstellen und Dichtungen 78, um die Flüssigkeit am Fließen zwischen Drosselstelle und Auflager 60 zu hindern.

Wie Fig. 7 entnommen werden kann, gibt es zwei axiale Aussparungen 64, die um 180° versetzt in der Außenfläche der oberen Nase 52 sind und zwei Aussparungen 66, die ebenfalls um 180° voneinander versetzt in der unteren Nase 56 vorgesehen sind, aber um 90° gegenüber den Aussparungen 64 verdreht sind.
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Die Aussparungen 64, 66 gewährleisten, daß etwas Flüssigkeit durch das Drosselungssystem fließt, wenn der enge Radialspalt 54 zwischen der äußeren Verschleißbuchse und den Bahnen 54 und 56 der Drosselstelle durch Schmutz verstopft ist.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ist jede ringförmige, äußere Drosselstelle 68 mit variablem Querschnitt für konstante Strömung zwischen einer oberen, äußeren Befestigungsscheibe 70 und einer unteren äußeren Befestigungsplatte 72 ein-gebettet, die beide an den vorzugsweise aus einem gummiartigen Material gefertigten Körper 74 gebunden sind.

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Die beiden Befestigungsplatten sind vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen verschleißfestem Material hergestellt. Für den Körper 74 wurde gefunden, daß ein "90" härtegeprüftes Elastomer gut geeignet ist.

Anhand von Fig. 8 ist ersichtlich, daß ein enger Ringspalt 58 die Flüssigkeitsströmung zwischen der äußeren Drosselstelle 68 und der äußeren Verschlußbuchse 62 drosselt. Die äußere Drosselstelle 68 für konstante Strömung weist zwei axiale Aussparungen 76 entlang des Außendurchmessersauf, damit etwas Flüssigkeit durch die Drosselstellen zum Lagerteil fließen kann, falls der Radialspalt 58 zwischen der Verschleißbuchse 62 und der äußeren Drosselstelle 68 durch den Druckabfall in

•"■5 der Drosselstelle 68, der den Körper 74 gegen die Buchse 62 drückt, sperrt.

Die Funktion der Drosselstelle 68 mit variablem Querschnitt für konstante Strömung wird im folgenden anhand von Fig. 6 erläutert. Der absolute Flüssigkeitsdruck nimmt ab, während die Flüssigkeit durch die Aussparungen 76 und den engen Ringspalt 58 zwischen dem Innendurchmesser der Drosselstelle 68 und der Verschleißbuchse 62 fließt.

Der Flüssigkeitsdruck nach unten gegen die obere Befestigungsscheibe 70 ist größer als der Flüssigkeitsdruck unterhalb der unteren Befestigungsscheibe 72.

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Ringförmige Dichtungen 78 in Nuten im ringförmigen Flansch der Drosselstellen halten die Auflager 60 mit der Oberseite der gegenüberliegenden Drosselstelle in Verbindung, um Flüssigkeit am Fließen zwischen den Drosselstellen 48 und 68 und den Auflagern 60 zu hindern.

Der höhere,abwärts gegen die obere Befestigungsscheibe 70 gerichtete Druck drückt den Elastomer- -Körper 74 gegen die untere Befestigungsscheibe 72, und Dichtung 78, wodurch der Körper 74 Herzogen wird und sowohl nach innen, als auch nach außen in Richtung der Verschleißbuchse 62 ausbeult, den Spalt 58 zwischen dem Drosselkörper 74 und der Verschleißbuchse 62 einengt und den Querschnitt der Aussparung 76 verkleinert.

Je größer da* Druck, desto größer die Verformung, aus der eine größere Reduktion der Strömungsquerschnitte des Spaltes 58 undder Aussparung 76 folgt, wodurch annähernd dieselbe Flüssigkeitsneige fließt, unabhänig vom Flüssigkeitsdruck.

In beiden Ausführungsformen sind die Auflagerelemente 31 und 60 so in dem ringförmigen Lagergehäuse angebracht, daß sie entweder an dem Außengehäuse 16 oder dem inneren Antriebsschaft 23 anliegen, jedoch radial

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nicht zu nahe an das gegenüberliegende zylindrische Teil, d.h. an die Verschleißbuchse reichen.

Die Drosselteile 25, 26, 48, 68 sind zur Seite hin fliegend und nicht zentriert angebracht (d.h. idealerweise waren sie konzentrisch, aber es ist keine Halterung vorgesehen, die ihre Bewegung auf eine nichtkonzentrische Lage beschränken würde), wodurch sie sich dazu eignen, seitliche Verschiebungen zwischen dem Lagergehäuse und dem Meißelantriebsschaft aufzunehmen, ohne eine Wirkverbindung hoher Reibung zu erzeugen, und auch ihre seitliche Belastung zu beschränken.

Dies hindert die Drosselstellen am frühzeitigen Verschleiß und ebenso daran, hohe Drehmomentverluste zu erzeugen.

Mit dem Drosselungssystem 24 nach Fig. 2 wird ein Druckunterschied erzeugt, wenn die Flüssigkeit vom oberen Ende der Drosselstelle zum unteren Ende fließt. Dieser Druckunterschied wirkt abwärts auf die Wirkfläche des Kolbens der sich drehenden Buchse 34 an ihrem Außendurchmesser, wodurch eine beträchtliche Abwärtskraft erzeugt wird.

Der Druckunterschied über dem Antriebsteil wirkt auf die wirksame Kolbenfläche der projizierten Querschnittsfläche des Rotors, wodurch eine andere beträchtliche Abwärtskraft erzeugt wird.

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Die beiden Kräfte vereinigen sich und werden vom Lagergehäuse 16 und dem Bohrstrang durch die Lager 21b und 22a geführt. Die Lager 21a und 22b übertragen keine Axialkraft, sondern ausschließlich Radialkraft.

Wenn das Bohrgestänge abgesenkt wird und Gewicht auf dem Meißel liegt, werden die hydraulischen Lagerkräfte auf 21b und 22a verringert und werden zu O, wenn die aufwärtsgerichtete Meißellast und die abwärtsgerichtete Hydraulikkraft gleich groß werden.

Wenn die Meißellasten weiter erhöht werden, tragen die Lager 21a und 22b nur die Differenz zwischen den hydraulischen Abwärtskräften und der gesamten Meißelkraft.

Das alterhative Drosselungssystem 47 nach Fig. 6 weist eine größere wirksame Kolbenfläche auf. Der Druckunterschied zwischen dem oberen und unteren Ende der Drosselstelle wirkt nach unten auf die wirksame Kolbenfläche der sich drehenden Drosselstelle 69 an ihrem Außendurchmesser, wodurch eine größere Abwärtskraft erzeugt wird.

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Diese Kraft und die abwärts gerichtete Kraft des Antriebsteils wird von denselben Lagern und in derselben Art und Weise wie oben für das Drosselungssystem 24 beschrieben aufgenommen, die hydraulischen Abwärtskräfte sind jedoch im System 47 aufgrund der größeren Wirkfläche viel größer.

Das Problem eine gewünschte Durchflußmenge durch die Lager zum Schmieren, Kühlen und Ausspülen von Abriebspartikeln konstant zu halten, ist durch die beschriebene Vorrichtung gelöst worden, wodurch der Verschleie herabgesetzt und die Lebensdauer der Lager verlängert wird.

Die Drosselungssysteme beider Ausführungsformen weisen zudem weder Dichtungen auf, die Drehmomentsverluste aufgrund von Reibung verursachen wurden, noch bewirken sie selbst derartige Verluste.

Zus ammenfa s sung

30. Leerseite

Claims

" " 3 4 3 3 °· -R O Meissner & Meissner PATENTANWALTS BL) RO PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. MEISSNER (1980) DIPL-ING. P. E. MEISSNER DIPL-ING. H.-J. PRESTING Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt -Professional Representatives before the European Patent Office Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen HERBERTSTR. 22,1000 BERLIN 33 M/W/Go. Fall 461/01 Dresser Industries, Inc. Dresser Building Elm at Akard Dallas, Texas 75201 / USA Drosselungssystem für Flüssigkeitsströmung in einem Absenkmotor Patentansprüche:

1. Absenkbohrmotor, bestehend aus einem zylindrischen Außenteil, aus einem darin drehbar gelagerten, zylindrischen Innenteil, einer zwischen beiden Teilen begrenzten, vertikal ausgerichteten Ringkammer, einer in dieser Kammer angeordneten Lagerstruktur, wobei die genannten Teile auch einen ersten Durchflußkanal für Bohrflüssigkeit zum Fließen durch den Motor begrenzen, mit Vorrichtungen zum Leiten des Hauptanteils der Flüssigkeit in genanntes Innenteil hinein und durch dieses hindurch sowie des Nebenanteils in genannte Kammer hinein und oberhalb der Lager durch sie hindurch, gekennzeichnet durch

TELEFAX: TELETEX: TELEGRAMM TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO: 030/891 78 50 TELEX: INVENTION 030/891 60 37 BERLINER BANK AG. P. MEISSNER. BLN-W 30 80 52 BERLIN 030/89130 26 BERLIN 31 40047 37-103

ein Drosselungssystem (24, 47) für Flüssigkeitsströmung unterhalb der Flüssigkeitsleitvorrichtungen (19,20), wobei dieses System die Durchflußmenge durch die Kammer und Lager (21a, 21b, 22a, 22b) begrenzt, sowie durch Drosselstellen (26,68), die einen Strömungspfad (37, 44; 58,76) variablen Querschnitts festlegen und welche auf Druckerhöhungen mit einer Verkleinerung des Strömungspfadquerschnitts reagieren, um die Durchflußmenge unabhängig vom Flüssigkeitsdruck in engen Grenzen

"LQ konstant zu halten.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Drosselstellen (26;68) ein verformbares Teil (42;74) aufweisen, welches einen mit der umgeleiteten

"L5 Bohrflüssigkeit in Verbindung stehenden Durchlaß (37,58) begrenzt und gegen axiale Verschiebungen innerhalb genannter Kammer gesichert ist, wobei der Flüssigkeitsdruck auf das Teil (42, 74) dieses Teil und damit den Durchlaß verformt, um den dadurch festgelegten Strömungsquerschnitt zu veränern.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Teil (42; 74) aus einem gummiartigen Ring in genannter Lagerkammer besteht und einen Innenrand mit einem ersten Durchmesser, der praktisch am zylindrischen Innenteil angrenzt, sowie einen Außen-

rand mit einem zweiten Durchmesser aufweist, der praktisch am zylindrischen Außenteil angrenzt und wobei entweder der Innen- oder Außenrand radial von der entsprechenden Zylinderwand beabstandet ist, um einen Strömungspfad (37; 58) zwischen dem Ring und benachbartem Teil zu bilden.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstellen (26; 68) zusätzlich eine Befestigungsscheibe (38; 70) aufweisen, die an der strömungsaufwärts weisenden Stirnfläche des verformbaren Teils(42; 74) befestigt ist, die den gleichen Innen- und Außenradius aufweist und welche als abriebfestes Teil dazu dient, die strömungsaufwärts weisende Stirnfläche des - elastischen Ringes vor der abschleifenden Bohrflüssigkeit zu schützen.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Stirnflächen des von benachbarter Zylinderfläche beabstandeten Ringes (42; 74) und die entsprechende Fläche der Befestigungsscheibe (38; 70) eine Anzahl von axial versetzten Aussparungen (35, 36; 64, 66) aufweisen, die axial durch sie hindurchgehen, um so einen Strömungspfad für die Flüssigkeit offenzuhalten, wenn der Ring (42; 74) verformt ist.

6. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (26; 68) zusätzlich eine Befestigungsscheibe (40; 72) aufweisen, die an der strömungsabwärts weisenden Stirnfläche des verformbaren Teils (42; 74) befestigt ist und die dengleichen Innen- und Außenradius aufweist, und daß beide Scheiben (38, 40; 70, 72) an der jeweils entsprechenden Fläche haften, um die Verformung des elastischen Teils zu begrenzen.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Drosselstellen mit einem nichtverformbaren Ring (25; 48), der strömungsaufwärts vom verformbaren Teil (42; 74) im Gehäuse (16) von diesem axial beabstandet gelagert ist und einen Strömungspfad (29; 54) mit festem Querschnitt festlegt, der für

einen geringeren Flüssigkeitsdruck nach Durchtritt durch den nlcht-verformbaren Ring sorgt, vorgesehen sind.
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8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-verformbaren Ringe (25; 48) und die verformbaren Ringe (42; 74) im Gehäuse (16) auf ringförmigen Auflagern (31; 60) mit einem ringförmigen Flansch gelagert sind, wobei sich genannte Ringe seitlich auf dem Flansch bewegen können, um Seitenbewegungen der sich relativ zueinander drehenden Teile aufzunehmen.

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9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselungssystem (24, 74) eine Vielzahl von in Reihe liegenden nichtverformbaren Ringen stromaufwärts von einer Vielzahl in Reihe liegender, verformbarer Ringe aufweist.

10. Drosselungssystem für Flüssigkeitsströmung zum Begrenzen einer Flüssigkeitsströmung durch ein nicht abgedichtetes Lagergehäuse eines Bohrwerkzeuges, wobei das Lagergehäuse zwischen einem zylindrischen Außenteil und einem relativ dazu drehbaren zylindrischen Innenteil begrenzt ist, Lager in diesem Gehäuse für die Drehlagerung der zylindrischen Teile vorgesehen sind und genannte Flüssigkeitsströmung die Lager schmiert und spült, dadurch gekennzeichnet, daß im Lager gehäuse (16) Drosselelemente (26; 68) vorgesehen sind, die einen Strömungspfad (37, 44; 58, 76) variablen Querschnitts festlegen und welche auf Druckerhöhungen mit einer Verkleinerung des Strömungspfadquerschnitts reagieren, um die Durchflußmenge unabhängig vom Flüssigkeitsdruck in engen Grenzen konstant zu halten.

11. Drosselsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselvorrichtungen (26; 68) ein verformbares· Teil (42,74) aufweisen, welches einen mit der Bohrflüssigkeit in Verbindung stehenden Durchlaß (37; 58) begrenzt, daß Vorrichtungen (31; 60) zum

Halten der Drosselvorrichtungen (26; 68) gegen axiale Verschiebung aufgrund von Flüssigkeitsdruckerhöhungen sowie Vorrichtungen (38; 70) zum Schutz der stromaufwärts weisenden Seite des verformbaren Drosselteils (24; 47) vor direkten Kontakt mit der abschleifenden Bohrflüssigkeit vorgesehen sind.

12. Drosselungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Teil (42; 74) aus einem gummiartigen Ring besteht und einen Innenrand mit einem ersten Durchmesser, der praktisch am zylindrischen Innenteil angrenzt, sowie einen Außenrand mit einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei einer der beiden Ränder radial von der entsprechenden Zylinderwand beabstandet ist, um einen Strömungspfad (37; 58) dazwischen zu bilden.

13. Drosselungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (24; 68) zum Schutz der stromaufwärts weisenden Seite des verformbaren Teils (42; 74) eine mit dieser Seite verbundene Scheibe (38; 70) mit einem Innen- und Außendruchmesser aufweisen, wobei sich eine der Seiten des verformbaren Teils mit der entsprechenden Seite der Scheibe deckt.

14. Drosselungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorrichtung zum Schutz der stromaufwärts weisenden Seite des verformbaren Teils zusätzlich ein strömungsaufwärts vom verformbaren Ring (42; 74) im Gehäuse (16) gelagerter, nichtverformbarer Ring (25; 48) vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, daß er einen Strömungspfad (29; 54) konstanten Querschnitts für die Bohrflüssigkeit abgrenzt und somit für einen niedrigeren Flüssigkeitsdruck nach Durchtritt sorgt.

15. Drosselungssystem nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzscheibe (38; 70) aus einer ersten nicht-verformbaren Scheibe besteht, und daß das System weiterhin eine zweite, nicht-verformbare Scheibe (40; 72) an der strömungsabwärts weisenden Seite des verformbaren Teils mit einem Innen-und Außenrand, der praktisch an seine Ränder angrenzt, aufweist, wobei die nicht-verformbare Scheibe die radiale Verformung des verformbaren Teils steuert, um hohe Drehmomentsverluste zwischen ihm und dem angrenzenden,sich drehenden Teil zu verhindern.

16. Drosselungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (31; 60) aus einem Auflager mit einem Flansch besteht, der sich radial von seinem axialen Schenkel erstreckt und in Wirkverbindung mit einem der drehbaren zylindrischen

Teile steht, daß die verformbaren und nicht-verformbaren Ringe auf dem radialen Flansch des nächstgelegenen Auflagers praktisch abdichtend lagern und daß der Innen -und Außenrand Jedes Ringes so bemessen ist, daß ein Ringraum zwischen ihm und der benachbraten Zylinderfläche begrenzt 1st, wobei sich die Ringe seitlich auf Jedem Flansch frei bewegen können, um Seitenbewegungen der sich gegeneinander drehenden Teile ohne Drehmomentsverlust aufnehmen zu können.

17. Drosselungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von in Reihe liegenden, nicht verformbaren Ringen stromaufwärts ,c von einer Vielzahl in Reihe liegender, verformbarer Ringe aufweist.