DE4007907A1 - Lenkvorrichtung fuer eine bohrerspitze in einem bohrloch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für eine Bohrerspitze in einem Bohrloch, wobei die Bohrerspitze an dem vorderen Ende eines Bohrgestängeelements befestigt ist und wobei das Bohrgestängeelement einen axialen Strö­ mungskanal für die Zuführung von Spülflüssigkeit zur Bohrerspitze während des Bohrvorganges aufweist.

Beim Tiefbohren tritt das Problem auf, daß die Bohrer­ spitze während des Bohrvorganges verläuft, also von einer vorgegebenen Bewegungsrichtung abweicht. Ursache ist die unvermeidbare Flexibilität des Bohrgestänges. Die Bohrer­ spitze verläuft, wenn die Bohrerspitze Übergangszonen zwischen harten und weichen Gesteinsschichten, insbes. unter spitzem Winkel, durchdringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkvor­ richtung anzugeben, welche die Bohrerspitze in der vorge­ gebenen Bewegungsrichtung hält.

Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen drehbeweglich auf dem Bohrgestängeelement an­ geordneten Körper, durch eine Gruppe von Kolben, die radial beweglich am Körper angeordnet und durch die Spül­ flüssigkeit beaufschlagbar sind, durch Meßfühler zur Er­ fassung einer Abweichung der Bohrerspitze von einer vor­ gegebenen Bewegungsrichtung und durch eine mit den Meß­ fühlern in Wirkverbindung stehende Steuervorrichtung, welche die Strömung der Spülflüssigkeit zu einem oder mehreren Kolben regelt, wobei der/die Kolben gegen die Bohrlochwand drückbar sind. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführ­ licher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Bohrgestängeelement mit erfindungsgemäßer Lenkvorrichtung,

Fig. 2 den Querschnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 den Querschnitt B-B durch den Gegenstand nach Fig. 1.

Die in den Figuren dargestellte Bohrer-Lenkvorrichtung 10 weist ein hohles Bohrgestängeelement 12, einen rohrför­ migen Körper 14 und eine endseitige Kappe 16 auf. Der Körper 14 ist auf dem Bohrgestängeelement 12 drehbeweg­ lich angeordnet. Die endseitige Kappe 16 ist auf dem vorderen Ende des Bohrgestängeelements 12 befestigt. Ein axialer Strömungskanal 22 durchdringt das Bohrgestänge­ element 12 und die endseitige Kappe 16. Durch den Strö­ mungskanal 22 strömt in Pfeilrichtung 23 Spülflüssigkeit zu der Bohrerspitze während des Bohrvorganges. Von der Schnittfläche strömt das Fluid zurück durch den Ring­ raum 25, welcher von der Bohrlochwand 27 und der Bohrer- Lenkvorrichtung 10 begrenzt ist.

Das Bohrgestängeelement 12 weist an seinem vorderen Ende eine Muffe 18 mit Innengewinde auf, welches mit dem zuge­ ordneten Außengewinde einer Bohrerspitze verbunden ist. Die endseitige Kappe 16 ist mit einem Außengewinde 20 ausgerüstet, an das ein weiteres Bohrgestängeelement anschließbar ist. Auf diese Weise ist die Bohrer-Lenk­ vorrichtung 10 Teil eines Bohrgestänges, welches das Bohrerdrehmoment überträgt und durch das Spülflüssig­ keit der Bohrerspitze zuführbar ist.

Eine Gruppe von Kolben 24 a bis f sind mit äquidistantem Abstand in Zylindern 26 am Außenumfang des Körpers 14 angeordnet. Die Kolben 24 a bis f liegen an nachgiebigen Schuhen aus Blattfederstreifen 28 an, die in Ausnehmun­ gen 30 an der Außenfläche des Körpers 14 gehalten sind. Jede Gruppe von Zylindern 26, die sich radial nach außen erstrecken, steht mit dem Strömungskanal 22 durch erste und zweite Versorgungshohlräume 32, 33 in Verbindung. Die Hohlräume 33 münden in einer Strömungskanalerweite­ rung 34 des Strömungskanals 22 aus. Die Strömungskanal­ erweiterung 34 schließt an die Muffe 18 an. Ein ringför­ miges Plattenventil 36 mit einer Ventilöffnung 38 zwi­ schen den Versorgungshohlräumen 32, 33 ist an dem Bohr­ gestängeelement 12 drehbar angeordnet.

Das Plattenventil 36 ist zwischen einer Stirnfläche 40 des Körpers 14 und einer gegenüberliegenden Schulter­ fläche des Bohrgestängeelements 12 eingesetzt. Die er­ forderliche Andruckkraft zur Abdichtung des Plattenven­ tils wird durch eine Druckfeder 44 aufgebracht. Die Druckfeder 44 ist an dem rückwertigen Ende der Kappe 16 abgestützt und liegt an einer Druckplatte 48 an, die an dem gegenüberliegenden Ende des Körpers 14 angeordnet ist.

Ein elektrischer Generator 50 grenzt an die Druck­ platte 48 an. Der Generator 50 weist einen Rotor 52 sowie einen Stator 54 auf. Der Rotor 52 ist auf dem wellenförmigen Bohrgestängeelement 12 befestigt. Der Stator 54 umschließt den Rotor 52 und ist an dem Kör­ per 14 befestigt. Durch Rotation des Bohrgestängeele­ mentes 12 relativ zum Körper 14 wird elektrische Energie erzeugt. Eine Drehbewegung des Körpers 14 wird durch die Blattfedern 28 verhindert, die an der Bohrlochwand 27 abgestützt sind. Die Blattfedern 28 decken ferner die Kolben 24 ab und schützen diese vor einer Verschmutzung.

Der Generator 50 speist einen Servomotor 58, der in einem ölgefüllten druckkompensierten Motorraum 60 ange­ ordnet ist. Der Servomotor 58 treibt ein Ritzel 62, wel­ ches die Ventilplatte 36 dreht. Meßfühler 64, welche Abweichungen der Bohrer-Lenkvorrichtung 10 von dem vor­ gegebenen Weg feststellen, sind in einer Mehrzahl von Instrumentenhohlräumen 66 des Körpers 14 angeordnet. Die Instrumentenhohlräume 66 sind am Umfang gleichmäßig ver­ teilt. Jeder Instrumentenhohlraum 66 weist ein Ver­ schlußstück 68 auf, welches den Meßfühler 64 gegen Bohr­ flüssigkeit und Überdruck schützt. Als Meßfühler 64 sind übliche Abstandsmeßgeräte zur Messung des Abstandes zur Bohrlochwand einsetzbar.

Zur Funktionsweise der Bohrer-Lenkvorrichtung 10: Die Meßfühler 64 stellen fest, wenn die Bohrer-Lenk­ vorrichtung 10 von einem vorgegebenen Weg abweicht, also die Bohrerspitze verläuft, und geben an den Servo­ motor 58 über ein Kabel 70 ein Steuersignal. Der Servo­ motor 58 dreht das Plattenventil 36 um einen durch das Steuersignal vorgegebenen Winkel, so daß die Ventilöff­ nung 38 die Versorgungshohlräume 32, 33 verbindet. Wenn die Bohrer-Lenkvorrichtung 10 beispielsweise eine Ab­ weichung in Pfeilrichtung 72 aufweist (Fig. 3), so wird die Ventilöffnung 38 mit den Versorgungshohlräumen 32, 33 in Verbindung gebracht, welche an die Zylinder 26 a anschließen (vgl. Fig. 1).

Die Spülflüssigkeit, die in Pfeilrichtung 23 durch den Strömungskanal 22 hindurchströmt, gelangt dann durch die Hohlräume 32, 33 in die Zylinder 26 a. Unter dem Flüssig­ keitsdruck der Spülflüssigkeit bewegen sich die Kol­ ben 24 a radial nach außen in Richtung auf die Bohrloch­ wand 27. Dabei drücken die Kolben 24 a den zugeordneten Blattfederstreifen 28 an die Bohrlochwand 27 an, wobei die Bohrer-Lenkvorrichtung unter der resultierenden Andruckkraft in entgegengesetzter Richtung, also gegen die Pfeilrichtung 72, verschoben wird. Nach der Weg­ korrektur der Bohrer-Lenkvorrichtung geben die Meß­ fühler 64 an den Servomotor 58 ein Steuersignal, wel­ cher daraufhin das Plattenventil 36 dreht. Die Ventil­ öffnung 38 wird aus dem Bereich der Versorgungshohl­ räume 32, 33 fortbewegt und dadurch die Strömung der unter Druck stehenden Spülflüssigkeit in die Zylinder 26 a unterbrochen. Überschüssige Druckflüssigkeit entweicht aus dem Versorgungshohlraum 32 und aus den Zylindern 26 durch eine Entlastungsbohrung 78, wenn die Kolben 24 a unter der Rückfederung der Blattfeder 28 einen Rück­ stellhub ausführen und ihre normale Position in den Zylindern 26 a einnehmen. Es kommt dabei zu einem Druck­ ausgleich zwischen der Flüssigkeit in der Versorgungs­ kammer 32 und dem Ringraum 25.

Jeder Zylindergruppe 26 a bis f sind separate Versor­ gungsöffnungen zugeordnet. Abweichungen der Bohrer-Lenk­ vorrichtung in anderen Richtungen werden entsprechend korrigiert. Bei einer Abweichung in Pfeilrichtung 76 beispielsweise wird die Ventilöffnung 38 des Plattenven­ tils 36 mit der Versorgungsöffnung der Zylindergruppe 26 c in Verbindung gebracht, wobei die Kolben 24 c nach außen bewegt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, das Plattenventil mit mehr als einer Ventilöffnung aus­ zurüsten, so daß auch zwei oder mehr Kolbengruppen gleichzeitig betätigbar sind. Im Ausführungsbeispiel weist jede Kolbengruppe eine Mehrzahl in Reihe hinter­ einander angeordneter Kolben auf. Im Rahmen der Erfin­ dung liegt es aber auch, jedem Versorgungshohlraum 32 jeweils nur eine einzige Zylinder/Kolbenanordnung 24, 26 zuzuordnen.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß zwischen der im Strömungskanal 22 zur Bohrspitze hin abwärtsströmenden Spülflüssigkeit und der im Ringraum 25 zurückströmenden Flüssigkeit eine Druckdifferenz vorhanden ist. Die Vor­ richtung ist so ausgebildet, daß die von der Spülflüs­ sigkeit auf die Kolben ausgeübte Druckkraft im Innenraum der Zylinder 26 größer ist als die Gegenkraft durch die Blattfeder 28 und die Druckkraft und der an der Kolben­ außenseite herrschenden Druckkraft durch die rückströ­ mende Flüssigkeit.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Erfindung große, betriebsmäßig stets vorhandene hydrau­ lische Kräfte nutzt, um die Bohrer-Lenkvorrichtung in einer vorgegebenen Position zu halten. Elektromechanische Mittel werden lediglich zur Regelung der hydraulischen Kräfte eingesetzt.

Claims (5)

1. Lenkvorrichtung für eine Bohrerspitze in einem Bohr­ loch, wobei die Bohrerspitze an dem vorderen Ende eines Bohrgestängeelements befestigt ist und wobei das Bohr­ gestängeelement einen axialen Strömungskanal für die Zu­ führung von Spülflüssigkeit zur Bohrerspitze während des Bohrvorganges aufweist, gekennzeichnet durch
einen drehbeweglich auf dem Bohrgestängeele­ ment (12) angeordneten Körper (14),
eine Gruppe von Kolben (24), die radial beweglich am Körper (14) angeordnet und durch die Spülflüs­ sigkeit beaufschlagbar sind,
Meßfühler (64) zur Erfassung einer Abweichung der Bohrerspitze von einer vorgegebenen Bewegungsrich­ tung und
eine mit den Meßfühlern (64) in Wirkverbindung stehende Steuervorrichtung, welche die Strömung der Spülflüssigkeit zu einem oder mehreren Kolben (24) regelt, wobei der/die Kolben (24) gegen die Bohr­ lochwand (27) drückbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die gegen die Bohrlochwand (27) gedrückten Kol­ ben (24) rückziehbar sind, sobald die Position der Bohrerspitze korrigiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen elektrischen Generator (50), der durch das relativ zum Körper (14) drehbare Bohrgestängeelement (12) antreibbar ist und die Steuervorrichtung mit elektrischer Energie speist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen Motor (58) und ein von dem Motor (58) verstellbares Ven­ til (36) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (24) an elastischen Schuhen (28) anliegen, wobei die Schuhe (28) an der Bohr­ lochwand (27) abgestützt sind und eine Drehbewegung des Körpers (14) verhindern.