DE3876274T2

DE3876274T2 - Bohrmotor im bohrloch.

Info

Publication number: DE3876274T2
Application number: DE8888200736T
Authority: DE
Inventors: Djurre Hans Zijsling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: EP0288123A2; AU607477B2; CA1330076C; ATE83040T1; NO178005C; GB8709380D0; EP0288123A3; AU1430688A; EP0288123B1; NO178005B; NO881426L; US4844180A; DE3876274D1; NO881426D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bohrloch-Bohrmotor zur Verwendung in unterirdischen Bohrloch-Bohrvorgängen.
Bohrloch-Bohrmotoren weisen im allgemeinen ein Motorgehäuse auf, das am unteren Ende eines langgestreckten Bohrgestänges befestigt ist, und eine Ausgangswelle, die eine Rotationsbohrkrone antreibt. Die Motoren sind üblicherweise Hydraulikmotoren, die von der Strömung eines Bohrfluids durch das Bohrgestänge hindurch angetrieben werden.
Während des Bohrvorganges wird das Gewicht der Bohranordnung im allgemeinen dazu verwendet, eine Axialkraft auf die Bohrkrone auszuüben. Die Größe dieser Axialkraft kann während des Bohrens auf Grund der Reibung zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand und auf Grund des dynamischen Verhaltens des Bohrgestänges schwanken. Herkömmliche Bohrloch-Bohrmotoren neigen zum Blockieren, wenn auf die Bohrkrone eine schwankende Axialkraft ausgeübt wird, weil solche Schwankungen im allgemeinen ähnliche Schwankungen des Bohrkronen-Drehmomentes erzeugen.
Das US-Patent 4 388 973 offenbart einen Bohrloch-Bohrmotor, bei welchem sich die Ausgangswelle in axialer Richtung relativ zum Gehäuse verschieben läßt und wobei mittels Federelementen eine Axialkraft zwischen der Ausgangswelle und dem Motorgehäuse erzeugt wird. Eine Charakteristik solcher Federelemente besteht darin, daß die Axialkraft von der axialen Verschiebung der Ausgangswelle relativ zum Gehäuse abhängt.
Es ist das Ziel der Erfindung, einen Bohrloch-Bohrmotor zu schaffen, der in der Lage ist, eine im wesentlichen konstante Axialkraft auf die Bohrkrone während des Bohrens auszuüben.
Der erfindungsgemäße fluidgetriebene Bohrloch-Bohrmotor weist zu diesem Zweck ein Gehäuse, eine Ausgangswelle, eine Lagereinheit zur Führung der Welle relativ zum Gehäuse, so daß sich die Welle um eine zentrale Achse des Gehäuses drehen kann, und Mittel zum Ausüben einer Axialkraft zwischen der Ausgangswelle und dem Motorgehäuse auf, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinheit der Welle auch eine Axialverschiebung relativ zum Gehäuse über einen vorgegebenen Hub gestattet, und daß die Axialkraft zwischen der Ausgangswelle und dem Motorgehäuse durch den Fluiddruck des Antriebsfluids erzeugt wird, das den Bohrlochmotor antreibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Motor ein hydraulischer Motor vom Moineau-Typ. Ein Moineaumotor ist für den Einbau der erfindungsgemäßen axialverschieblichen Welle besonders geeignet, weil die Abdichtung des Rotors im Statorgehäuse bei jeder axialen Rotorstellung gewährleistet ist, was eine inhärente Eigenschaft des Moineaumotorprinzipes ist. Außerdem kann der Rotor des Motors als Mittel verwendet werden, um auf die Ausgangswelle eine Axialkraft aufzubringen, weil die auf den Rotor wirkende Auspumpkraft bereits eine Axialkraft auf die vom Rotor angetriebene Ausgangswelle ausübt.
Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erklärt, in denen
- Fig. 1 ein schematischer Querschnitt des unteren Teiles eines erfindungsgemäßen Bohrloch-Bohrmotors und
- Fig. 2 ein schematischer Querschnitt des unteren Teiles eines weiteren erfindungsgemäßen Bohrmotors ist.
In Fig. 1 ist ein Bohrlochmotor des Moineau-Typs dargestellt. Der Motor umfaßt ein Motorgehäuse 1, in dem ein Gummistator 2 befestigt ist. Der Motor weist ferner einen spiralförmigen Rotor 3 auf, der mit Hilfe einer Universalkupplung 5 an eine Ausgangswelle 4 angeschlossen ist. Die Ausgangswelle 4 ist in einer Lagereinheit 6 geführt, die am unteren Ende des Motorgehäuses 1 so montiert ist, daß sich die Welle 4 um eine zentrale Achse dieses Gehäuses drehen und in Axialrichtung relativ zum Gehäuse 1 verschieben kann.
Die Lagereinheit 6 besitze eine zylindrische Innenfläche, die einen Teil der Länge der zylindrischen Außenfläche 8 eines rohrförmigen Abschnittes der Welle 4 umgibt und weiters mit einem Axiallager 7 ausgestattet ist.
Am unteren Ende der Ausgangswelle 4 ist eine Rotationsbohrkrone 9 montiert. Die Welle 4 trägt an ihrem oberen Ende ein Axiallager 10. Das obere Ende eines Befestigungsflansches 11, der die Bohrkrone 9 trägt, und die Axiallager 7 und 10 bilden Anschläge, welche den Axialhub begrenzen, über den sich die Ausgangswelle 4 relativ zum Motorgehäuse 1 verschieben kann.
Während des Betriebes des Motors strömt das den Motor durchsetzende Bohrfluid von einer Fluidauslaßkammer 12 über eine Reihe radialer Öffnungen 13 und einen zentralen Durchtrittskanal 14 in der hohlen Ausgangswelle 4 zu Strahldüsen 15 in der Bohrkrone 9. Die radialen Öffnungen 13 liegen auf verschiedenen Axialhöhen gerade unterhalb des Axiallagers 10, so daß sie, wenn sich die Ausgangswelle 4 in ihre unterste Stellung bewegt, allmählich von der Innenfläche 7 des Radiallagers 6 verschlossen werden.
Der erhöhte Strömungswiderstand, der durch dieses Verschließen der Öffnungen 13 bewirkt wird, kann an der Bodenoberfläche als erhöhter Pumpendruck oder Standrohrdruck erkannt werden. In Antwort auf diesen Druckanstieg kann das den Motor tragende Bohrgestänge über eine Wegstrecke abgesenkt werden, die dem Hub der Ausgangswelle 4 entspricht, so daß die Ausgangswelle 4 wieder in ihre eingefahrene Stellung zurückgebracht wird. Dieser Schritt des Absenkens des Gestänges wird jedesmal wiederholt, wenn ein erhöhter Pumpendruck erkannt wird, wodurch die Ausgangswelle 4 ständig zwischen den Grenzen ihres Hubes gehalten wird.
Während des Betriebes des Motors wird die axiale, auf den Rotor 3 wirkende "Auspump"-Kraft, die der Druckdifferenz über dem Motor proportional ist (welche dem vom Motor erzeugten Drehmoment proportional ist), über die Universalkupplung 5 auf die Ausgangswelle 4 übertragen. Ein zweiter Beitrag zu der auf die Ausgangswelle wirkenden Auspumpkraft resultiert aus der Druckdifferenz über die Bohrkronendüsen 15. Somit ist die von der Ausgangswelle 4 auf die Bohrkrone 9 ausgeübte Axialkraft bzw. das "Gewicht auf die Bohrkrone" (Weight-On-Bit, WOB) dem vom Motor erzeugten Drehmoment und dem Druckabfall über die Düsen 15 der Bohrkrone proportional, welcher Druckabfall der quadrierten Spülschlammzirkulation proportional ist.
Wenn notwendig, kann die während des Motorbetriebes auf die Bohrkrone 9 ausgeübte Axialkraft weiters durch Anordnen einer Axialfeder oder von Axialfedern zwischen dem Axiallager 10 und dem Motorgehäuse 1 oder durch Ausstatten der Ausgangswelle mit einem Hydraulikkolben, wie in Fig. 2 dargestellt, gesteuert werden.
In Fig. 2 ist der untere Teil eines Moineaubohrmotors gezeigt, der mit einer axialverschieblichen Ausgangswelle 20 ausgestattet ist, welche einen Hydraulik-Plungerkolben 21 trägt.
Der Plungerkolben 21 unterteilt einen rohrförmigen Bereich 22 des Gehäuseinneren in einen oberen Bereich 22A und einen unteren Bereich 22B. Der obere Bereich 22A steht mit einer Fluidauslaßkammer 23 in Fluidverbindung, die stromabwärts des Rotors 24 angeordnet ist. Der untere Bereich 22B steht mit dem Inneren des (nicht gezeigten) Bohrgestänges oberhalb des Motors über Bypass-Öffnungen 25 im Motorgehäuse 26 in Fluidverbindung. Auf diese Weise übt der Plungerkolben 21 während des Betriebes des Motors eine aufwärtsgerichtete Axialkraft auf die Ausgangswelle 20 aus, die der Druckdifferenz über dem Motor und der Größe des Plungerkolbens 21 proportional ist. Die vom Plungerkolben 21 auf die Welle 20 ausgeübte aufwärtsgerichtete Axialkraft wirkt zumindest teilweise der abwärtsgerichteten Auspumpkraft entgegen, die vom Rotor 24 auf die Ausgangswelle 20 über die Universalkupplung 27 ausgeübt wird.
Durch entsprechendes Dimensionieren des Plungerkolbens 21 im Verhältnis zur Größe und Form des Rotors 24 kann auf die Ausgangswelle 20 eine Gesamtaxialkraft ausgeübt werden, die kleiner ist als die auf den Rotor 24 ausgeübte Auspumpkraft.
Wenn anderseits die auf den Rotor 24 ausgeübte Auspumpkraft als zu gering für einen korrekten Betrieb der vom Motor angetriebenen Bohrkrone betrachtet wird, kann der untere Gehäusebereich 22B mit dem Motoräußeren über eine radiale Öffnung in der Gehäusewand in Fluidverbindung gebracht werden, anstatt mit dem Fluideinlaß des Motors verbunden zu werden. In diesem Fall wird der Kolben eine abwärtsgerichtete Axialkraft auf die Ausgangswelle 20 ausüben, die sich mit der auf den Rotor 24 wirkenden Auspumpkraft summiert. Auf diese Weise kann die Drehmoment-Bohrkronengewicht(WOB)-Charakteristik des Motors an die für die Bohrkrone optimale Drehmoment-Bohrkronengewicht(WOB)-Kombination angepaßt werden, so daß optimale Betriebsbedingungen während des Bohrens aufrechterhalten werden können.
Die Ausgangswelle 20 des in Fig. 2 gezeigten Motors ist relativ zum Motorgehäuse 26 mit Hilfe eines Radiallagers 29 und eines Axiallagers 30 geführt. Das Axiallager 30 liegt am Radiallager 29 an, wenn die Ausgangswelle 20 das untere Ende ihres Hubes erreicht hat. Die hohle Ausgangswelle 20 weist eine Reihe von radialen Fluideinlaßöffnungen 31 auf, die oberhalb des Plungerkolbens 21 angeordnet sind, und eine Reihe von radialen Fluidauslaßöffnungen 32, welche durch die Innenfläche des Radiallagers 29 abgedichtet werden, wenn die Ausgangswelle 20 über dem oberen Ende ihres Hubes liegt, die aber mit dem Motoräußeren 33 in Verbindung stehen, wenn die Ausgangswelle 20 das untere Ende ihres Hubes erreicht hat.
Der herabgesetzte Strömungswiderstand, der durch dieses Öffnen der Fluidauslaßöffnungen 32 bewirkt wird, kann an der Bodenoberfläche durch Überwachen des Pumpen- bzw. Standrohrdruckes erkannt werden. Wenn an der Oberfläche ein reduzierter Standrohrdruck erkannt wird, wird das Bohrgestänge etwas abgesenkt, um die Ausgangswelle 20 wieder in eine eingefahrene Stellung zurückzudrücken. Wenn nach dem Bohren eines Bohrlochabschnittes mit einer Länge gleich dem Hub der Ausgangswelle der überwachte Standrohrdruck wieder abnimmt, wird das Bohrgestänge erneut etwas abgesenkt, welches Verfahren während des gesamten Bohrvorganges wiederholt wird.
Es versteht sich, daß ein Moineaumotor für den Einbau der vorliegenden Erfindung besonders geeignet ist, weil die Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator bei jeder axialen Stellung des Rotors relativ zum Stator gewährleistet ist, und weil es keine anderen Lager als das Lager der Ausgangswelle gibt. Somit kann sich der Rotor des Motors zusammen mit der Ausgangswelle in Axialrichtung durch das Motorgehäuse bewegen und die vom Bohrfluid auf den Rotor ausgeübte Auspumpkraft kann dazu verwendet werden, eine gewünschte Axialkraft auf die Bohrkrone während des Bohrens auszuüben.
Es versteht sich weiters, daß auch andere Bohrmotoren die Erfindung beinhalten können. Solche andere Motoren können beispielsweise hydraulische Motoren, wie Turbinen- oder Schaufelradmotoren sein, oder Elektromotoren. Weil es bei solchen anderen Motoren im allgemeinen nicht möglich ist, daß sich der Rotor in axialer Richtung relativ zum Stator bewegen kann, würden solche Motoren die Anordnung einer Keilwellenverbindung zwischen dem Rotor und der Ausgangswelle erfordern, welche Verbindung es der Ausgangswelle gestatten würde, sich in axialer Richtung relativ zum Rotor zu verschieben.
Das erfindungsgemäße Motorkonzept ermöglicht eine genaue Anpassung der Drehmoment-Bohrkronendruck(WOB)-Ausgangsleistung des Motors an die optimale Drehmoment-Bohrkronendruck(WOB)-Kombination einer vom Motor angetriebenen Bohrkrone. Darüber hinaus werden Bohrkronendruck(WOB)- Schwankungen, die sich aus dem dynamischen Verhalten des Bohrgestänges ergeben, eliminiert. Weil auf diese Weise die Blockiergefahr des Motors während des Bohrens ausgeschaltet wird, werden optimale Betriebsbedingungen für das Bohren mit hochagressiven Bohrkronen geschaffen, wie selbstvorschiebenden Bohrkronen, was die Verwendung einer leichtgewichtigen Bodenbohranordnung ermöglicht.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Motorkonzeptes bei dem im US-Patent 4 492 276 offenbarten lenkbaren Bohrmotor verbessert beträchtlich die Stirnseitenstabilität des Werkzeuges bei gerichteten Bohrungen und somit die Steuerung des Bohrvorganges. Dies ermöglicht das Bohren langer, stark geneigter oder sogar horizontaler Bohrlochabschnitte mit dem lenkbaren Bohrmotor.

Claims

1. Fluidgetriebener Bohrloch-Bohrmotor mit einem Gehäuse (1), einer Ausgangswelle (4), einer Lagereinheit (6) zur Führung der Welle (4) relativ zum Gehäuse (1), so daß sich die Welle (4) um eine zentrale Achse des Gehäuses drehen kann, und Mitteln zum Ausüben einer Axialkraft zwischen der Ausgangswelle (4) und dem Motorgehäuse (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinheit (6) der Welle (4) auch eine Axialverschiebung relativ zum Gehäuse (1) über einen vorgegebenen Hub gestattet, und daß die Axialkraft zwischen der Ausgangswelle (4) und dem Motorgehäuse (1) durch den Fluiddruck des Antriebsfluides erzeugt wird, das den Bohrlochmotor antreibt.

2. Motor nach Anspruch 1, bei welchem die Ausgangswelle (4) von einem unteren Ende des Gehäuses (1) vorsteht und die Lagereinheit (6) ein Niedrigreibungslager aufweist, das in der Nähe des unteren Endes des Gehäuses (1) befestigt ist und einen Teil der Länge eines rohrförmigen Abschnittes der Welle (4) umgibt.

3. Motor nach Anspruch 2, bei welchem die Welle (4) mit Anschlagmitteln (7, 10, 11) versehen ist, die am oberen und unteren Ende des rohrförmigen Abschnittes montiert sind.

4. Motor nach Anspruch 3, bei welchem die Anschlagmittel am unteren Ende der Welle (4) durch einen Befestigungsflansch (11) für eine Rotationsbohrkrone (9) gebildet sind, die von der Welle (4) getragen ist.

5. Motor nach Anspruch 3, bei welchem die Anschlagmittel am oberen Ende der Welle (4) durch ein Axiallager (10) gebildet sind, das von der Welle (4) getragen ist.

6. Motor nach Anspruch 2, bei welchem der Motor ein hydraulischer Motor vom Moineau-Typ ist, der einen Rotor (3) aufweist, welcher einen Teil der Mittel zum Ausüben einer Axialkraft zwischen der Ausgangswelle (4) und dem Motorgehäuse (1) bildet.

7. Motor nach Anspruch 6, bei welchem die Mittel zum Ausüben einer Axialkraft zwischen der Welle (20) und dem Motorgehäuse (26) ferner einen Plungerkolben (21) aufweisen, der an der Welle (20) oberhalb des Axiallagers (30) montiert ist, welcher Plungerkolben (21) einen unterhalb des Rotors (24) liegenden rohrförmigen Teil (22) des Inneren des Gehäuses (26) in einen oberen (22A) und einen unteren (22B) Bereich unterteilt.

8. Motor nach Anspruch 7, bei welchem der untere Bereich (22B) des rohrförmigen Teiles (22) mit einem Fluideinlaß des Motors und der obere Bereich (22A) des rohrförmigen Teiles (22) mit einem Fluidauslaß (23) des Motors in Fluidverbindung steht.

9. Motor nach Anspruch 8, bei welchem die Ausgangswelle (20) einen axialen Fluiddurchtrittskanal aufweist, welcher an deren oberen Ende mit dem Fluidauslaß (23) des Motors über radiale Öffnungen (31) in der Wand eines oberhalb des Plungerkolbens (21) liegenden Teiles der Ausgangswelle (22) in Fluidverbindung steht.

10. Motor nach Anspruch 9, bei welchem der rohrförmige Abschnitt der Ausgangswelle (20) radiale Fluidauslaßöffnungen (32) aufweist, die vom Radiallager (29) abgedichtet sind, wenn die Ausgangswelle (20) oberhalb des unteren Endes ihres Hubes liegt, die aber eine Fluidverbindung zwischen dem Fluiddurchtrittskanal und dem Äußeren des Gehäuses (26) herstellen, wenn die Ausgangswelle (20) am unteren Ende ihres Hubes liegt.