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Diese
Erfindung betrifft einen steuerbaren Stabilisator, und betrifft
insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen steuerbaren Richtungslenker
zur Verwendung beim Lenken der Richtung, in die ein Bohrloch gebohrt
wird, z.B. um ein abgelenktes Ölbohrloch
zu erzeugen.
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Moderne
Bohrtechniken zur Bildung von Bohrlöchern zwischen einer Bohrstation
an der Oberfläche
und ölführenden
geologischen Schichten, die horizontal von der Bohrstation an der
Oberfläche
entfernt sind, erfordern eine genaue Steuerung des Bohrlochs auf
einer gut geplanten Bahn. Bekannte Richtungsbohrtechniken beinhalten
für gewöhnlich die
Verwendung eines Untertagebohrmotors und eines Knickstücks, wobei
das Bohrgestänge
nicht drehend ist und die Drehposition des Knickstücks zur Bestimmung
der Richtung der Ablenkung verwendet wird (d.h., der Richtung und
des Winkelausmaßes,
in dem die gegenwärtig
geplante Bohrrichtung von einer geraden Projektion des zuletzt gebohrten
Abschnitts des Bohrlochs abweicht; eine Richtungsbohrung kann somit
als Untertagelenkung des Bohrers angesehen werden).
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Vor
der Verwendung von Untertagemotoren mit Knickstücken zum Richtungsbohren wurden
Ablenkkeile ("Whipstocks") zum Ablenken drehender Bohr-Baugruppen
verwendet. Die Nachteile von Ablenkkeilen waren, dass sie eine Orientierung
durch Bohrstrangbewegungen erforderten, die von der Oberflächenstation
eingeleitet wurden, und dass die Ablenkkeile nach dem Bohren von
relativ kurzen Distanzen neu eingestellt (neu orientiert) werden
mussten.
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Das
Dokument US-5,603,386 offenbart ein Untertagewerkzeug, das an einem
Bohrstrang befestigbar ist und als variabler Stabilisator oder als
Steuerung zum Richtungsbohren dienen kann, welches Schaufeln umfasst,
die für
den Eingriff mit der Wand eines Bohrlochs ausgefahren werden können.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Ersatz für bekannte Richtungsbohrtechniken
in Form eines steuerbaren Stabilisators bereitzustellen, um eine
radiale Last in einem drehbaren Bohrstrang oder einer Bohrwelle
zu erzeugen, so dass die Ablenkung eines Bohrlochs gesteuert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen richtungsgesteuerten Exzenter
bereitzustellen, der auch zur Erzeugung richtungsgesteuerter Exzentrizitäten unter
Umständen
anwendbar ist, die keine Bohrung beinhalten.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein steuerbarer Stabilisator
in der Form eines richtungsgesteuerten Exzenters bereitgestellt,
der eine erste Untergruppe und eine zweite Untergruppe umfasst,
wobei die erste Untergruppe dazu geeignet ist, im Betrieb durch
die Drehung einer drehbaren Welle gedreht zu werden, die zweite
Untergruppe in Bezug auf die erste Untergruppe drehbar angebracht
ist, die zweite Untergruppe exzentrische Schubmittel umfasst, die
steuerbar in eine vorher bestimmte Richtung radial ausfahrbar sind,
um einen exzentrischen Seitenschub auszuüben, die zweite Untergruppe
in Bezug auf die drehbare Welle drehbar so angebracht ist, dass
die drehbare Welle auf den durch die exzentrischen Schubmittel ausgeübten exzentrische
Seitenschub im Betrieb reagiert, um die Welle in eine der Richtung
des exzentrischen Seitenschubs entgegengesetzte Richtung abzulenken,
dadurch gekennzeichnet, dass der richtungsgesteuerte Exzenter außerdem richtungsempfindliche Steuerungsmittel
zum Messen der Richtung und zum steuerbaren radialen Ausfahren der
exzentrischen Schubmittel in eine Richtung umfasst, welche bestrebt
sind, die drehbare Welle in eine erforderliche Richtung abzulenken,
wobei der richtungsgesteuerte Exzenter von einem Kreisring begrenzt
ist und wobei der exzentrische Seitenschub durch exzentrische Schubmittel
auf den genannten Kreisring ausgeübt wird, wobei der genannte
Kreisring den exzentrischen Seitenschub auf die Wand des Bohrlochs überträgt, in welchem
der Stabilisator arbeitet.
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Vorzugsweise
bilden wechselseitig zusammenwirkenden Teile der ersten und zweiten
Untergruppe hydraulische Pumpmittel, die infolge relativer Drehung
der ersten und zweiten Untergruppe funktionieren, um hydraulische
Kraft zur Nutzung durch den steuerbaren Stabilisator zu erzeugen.
Ferner bilden wechselseitig zusammenwirkenden Teile der ersten und
der zweiten Untergruppe vorzugsweise Wechselstromgeneratormittel
oder andere dynamoelektrische Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie
zur Nutzung durch den steuerbaren Stabilisator.
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Vorzugsweise
sind auch die exzentrischen Schubmittel durch hydraulische Linearmotormittel
radial ausfahrbar.
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Vorzugsweise
steuert auch das Steuerungsmittel hydraulische Kraft von den hydraulischen Pumpmitteln
zu den hydraulischen Mitteln in einer Weise, dass die exzentrischen
Schubmittel steuerbar in eine Richtung radial ausfahren, um die
drehbare Welle in eine erforderliche Richtung abzulenken.
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Die
zweite Untergruppe ist vorzugsweise auf der ersten Untergruppe drehbar
angebracht.
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Das
hydraulische Pumpmittel ist vorzugsweise eine hydraulische Pumpe
mit positiver Verdrängung.
Der hydraulische Energieausgang der hydraulischen Pumpmittel ist
vorzugsweise in der zweiten Untergruppe vorgesehen. Das Steuerungsmittel
ist vorzugsweise in der ersten Untergruppe vorgesehen. Das Steuerungsmittel
kann ein steuerbares Auslassventil umfassen, das hydraulisch mit
den hydraulischen Mitteln verbunden ist, wobei das genannte Auslassventil
steuerbar geöffnet
werden kann, um die hydraulische Kraft von den hydraulischen Mitteln abzulassen
und dadurch die exzentrischen Schubmittel dazu zu bringen oder es
ihnen zu erlauben, radial einzufahren, wobei das genannte Auslassventil steuerbar
verschlossen werden kann, um zu verhindern, dass die hydraulische
Kraft von den hydraulischen Mitteln abgelassen wird, und um dadurch
zu bewirken, dass die exzentrischen Schubmittel radial ausgefahren
werden.
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Die
exzentrischen Schubmittel und die hydraulischen Mittel umfassen
vorzugsweise eine über den
Umfang verteilte Vielzahl von radial verschiebbaren Kolben, von
denen jeder in einem entsprechenden Zylinder, der an der Peripherie
der zweiten Untergruppe ausgebildet ist, gleitend aufgenommen und
gleitend gedichtet ist. Der hydraulische Energieausgang der hydraulischen
Pumpmittel ist vorzugsweise synchron mit der Drehung der zweiten
Untergruppe in Bezug auf die erste Untergruppe auf einzelne aufeinanderfolgende
Zylinder geschaltet, und das steuerbare Auslassventil ist so gesteuert,
dass es nur dann geschlossen wird, wenn der genannte hydraulische
Energieausgang auf einen bestimmten Zylinder geschaltet ist, dessen
Kolben dazu bestimmt ist, ausgefahren zu werden. Die radialen Außen-Enden
der radial verschiebbaren Kolben, die von den exzentrischen Schubmitteln
und von den hydraulischen Mitteln umfasst werden, werden vorzugsweise
von einem einteiligen Ring oder Reifen, welcher im Wesentlichen
starr ist, begrenzt, der im Gebrauch dazu dient, den exzentrischen
Seitenschub auf die Wand des Bohrlochs zu übertragen, in dem der Stabilisator arbeitet.
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Die
erste und die zweite Untergruppe sind vorzugsweise durch einen Kupplungsmechanismus wechselseitig
verbunden, der eine relative Längsbewegung
zwischen den beiden Untergruppen einschränkt, während er einen Bereich von
radialen Relativbewegungen zwischen den beiden Untergruppen erlaubt,
der ausreichend ist, um die erforderliche Ablenkung der Welle zu
beinhalten, wobei der Kupplungsmechanismus vorzugsweise auch die
relative Drehbewegung zwischen den beiden Untergruppen begrenzt.
Der Kupplungsmechanismus kann eine Vielzahl von teilringförmigen Segmenten,
die an der zweiten Untergruppe befestigt oder in ihr integriert sind,
umfassen und außerdem
in der ersten Untergruppe einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Schlitz
umfassen, wobei die Segmente radial in den Schlitz reichen, um eine
radiale Relativbewegung der zweiten Untergruppe in Bezug zur ersten
Untergruppe zu erlauben, während
wesentliche relative Längsbewegungen
zwischen den beiden Untergruppen verhindert werden. Der Schlitz
ist vorzugsweise in Umfangsrichtung durch sich radial erstreckende
Keilmittel unterbrochen, die an der ersten Untergruppe befestigt
oder in ihr integriert sind, wobei die Keilmittel in Zwischen-Segment-Lücken angeordnet
sind, um eine wesentliche Drehbewegung der zweiten Untergruppe in
Bezug zur ersten Untergruppe zu verhindern.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Richtungs-Bohr-Baugruppe zur
steuerbaren Ablenkung eines Bohrlochs oder eines anderen durch die
genannte Bohr-Baugruppe gebohrten Lochs bereitgestellt, wobei die
genannte Bohr-Baugruppe einen drehbaren Bohrstrang und einen steuerbaren
Stabilisator nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst,
wobei die erste Untergruppe um den genannten Bohrstrang herum angebracht
und daran befestigt ist und die zweite Untergruppe drehbar um den
genannten Bohrstrang herum und/oder um die erste Untergruppe herum
angebracht ist.
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Das
richtungsempfindliche Steuerungsmittel des steuerbaren Stabilisators
reagiert vorzugsweise auf vom Erdmagnetfeld ausgelöste Vektoren.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:
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1 ein
schematisches Diagramm der gesamten Anordnung einer Richtungs-Bohr-Baugruppe ist;
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2 ein
Diagramm ist, dass das Funktionsprinzip der Erfindung zeigt;
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3 ein
diametraler Querschnitt einer ersten Form eines richtungssteuerbaren
exzentrischen Stabilisators ist, der Teil der Richtungs-Bohr-Baugruppe von 1 ist;
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4 ein
querverlaufender Querschnitt (in vereinfachter Form) des Stabilisators
von 3 ist;
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5 ein
diametraler Querschnitt einer zweiten Form des richtungssteuerbaren
exzentrischen Stabilisators ist;
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6 ein
querverlaufender Querschnitt (in vereinfachter Form) des Stabilisators
von 5 ist;
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7 ein
vereinfachter Schnitt des Stabilisators von 5 ist, entsprechend
der Ansicht von 4;
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8 eine
Teilansicht in vergrößertem Maßstab eines
bewegungseinschränkenden
Kupplungsmechanismus des Stabilisators von 5 ist; und
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9 ein
Querschnitt des Kupplungsmechanismus entlang der Linie IX-IX in 8 ist.
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Unter
Bezugnahme zunächst
auf 1 ist dies eine schematische Gesamtansicht einer
Richtungs-Bohr-Baugruppe 10 zur steuerbaren Ablenkung eines
Bohrlochs (nicht dargestellt) oder anderen Lochs, das von der Baugruppe 10 gebohrt
wird. Die Richtungs-Bohr-Baugruppe 10 umfasst einen drehbaren
Bohrstrang 12 mit einer Bohrkrone 14 am Untertageende
des Bohrstrangs 12 (d.h., am linken Ende in 1).
Mit einem geeigneten Abstand oberhalb des Untertageendes des Bohrstrangs 12 ist
ein richtungsgesteuerter exzentrischer Stabilisator 16 um
den Bohrstrang 12 angebracht. (Die Funktionsprinzipien
des Exzenters 16 werden anschließend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben).
Neben dem Exzenter 16 enthält der Bohrstrang 12 ein
richtungsempfindliches Steuerungssystem 18, das Richtungssensoren
und einen passend programmierten Computer (nicht separat dargestellt)
umfasst. Das Steuerungssystem 18 spricht auf vom Erdmagnetfeld und
vom Gravitationsfeld ausgelöste
Vektoren an, d.h., die Baugruppe 10 kann mit Hilfe einer
eigenen Erfassung des planetaren Magnet- und Gravitationsfeldes, aufgelöst in orthogonale
Vektoren in bekannter Weise, in drei Dimensionen navigieren, wobei eine
richtige Berechnung auf der Basis der Vektorwerte durchgeführt wird.
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Unter
Bezugnahme nun auf 2, besteht die Aufgabe des Exzenters 16 darin,
die Peripherie des Exzenters 16 aus der Konzentrizität mit dem Bohrstrang 12 radial
zu versetzen, wobei diese radiale Versetzung steuerbar in die Richtung
gelenkt wird, die der beabsichtigten Ablenkungsrichtung der Bohr-Baugruppe 10 entgegengesetzt
ist (d.h., in die Richtung, in die eine weitere Bohrung mit einer
Ablenkung von der geraden Bohrung fortgesetzt werden soll). Wie
schematisch in 2 dargestellt (die ein Querschnitt
der Anordnung von 1 in einer Ebene orthogonal
quer zu der Längsachse
der Baugruppe 10 ist), ist der Bohrstrang 12 horizontal
und der Exzenter 16 wird vertikal von der diametral zentralen Drehachse
des Bohrstrangs 12 nach unten verschoben. Da die Peripherie
des Exzenters 16 normalerweise mit der Wand des Bohrlochs
unmittelbar oberhalb der Bohrkrone 14 (deren Durchmesser
gleich oder etwas größer als
der periphere Durchmesser des Exzenters 16 ist) in Kontakt
steht, hebt die Abwärtsversetzung
des Exzenters 16 in Bezug auf die Drehachse des Bohrstrangs 12 den
Bohrstrang in Bezug auf die Mittellinie des Bohrlochs an. Folglich wird
das Weiterbohren in eine Aufwärtsrichtung
abgelenkt.
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Einzelheiten
der inneren Mechanismen des Exzenters 16 werden nun unter
Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
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3 ist
ein diametraler Querschnitt des richtungsgesteuerten Exzenters 16 in
einer Ebene, die die Längsachse
des Exzenters 16 enthält,
die mit der Drehachse des Bohrstrangs 12 übereinstimmt, um
den der Exzenter 16 angebracht ist. 3 ist eine diagrammatische
Darstellung, wobei Teile des Exzenters 16 der Deutlichkeit
wegen fehlen.
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Der
Exzenter 16 umfasst eine erste Untergruppe 20 und
eine zweite Untergruppe 22. Die erste Untergruppe 20 ist
an dem Bohrstrang 12 angebracht und befestigt. Die zweite
Untergruppe 22 ist drehbar um die erste Untergruppe 20 angebracht,
so dass die erste (innere) Untergruppe 20 durch den drehenden Bohrstrang 12 gedreht
wird, während
die zweite (äußere) Untergruppe 22 feststehend
bleibt.
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Die
erste Untergruppe 20 umfasst ein hydraulisches Umschaltventil 24 in
Form einer Buchse, die an der Peripherie des Bohrstrangs 12 befestigt ist.
Ein Teil des Außenumfangs
der Ventilbuchse 24 ist ausgespart, um einen länglichen
Kanal 26 zu bilden, dessen Funktion anschließend erklärt wird.
Die erste Untergruppe 20 umfasst des Weiteren eine Taumelscheibe 28,
die fest an dem Bohrstrang 12 befestigt ist und eine schräge Oberfläche zu dem
benachbarten Ende der zweiten Untergruppe 22 dargestellt,
um die Kolben einer hydraulischen Pumpe hin- und herzubewegen, wie
in der Folge ausführlich
beschrieben wird. Die erste Untergruppe 20 umfasst außerdem ein
hydraulisches Auslassventil 30 mit einem betätigenden
Solenoid 32 und einer Feder (nicht dargestellt), durch
die das Ventil 30 normalerweise für einen Zweck offen gehalten
wird, der anschließend
erklärt
wird. Die erste Untergruppe 20 umfasst zusätzlich einen
Wechselstromgeneratoranker 34 zur örtlichen Erzeugung von elektrischer
Energie. Der Anker 34 und das Solenoid 32 sind
durch Kabel 36 an das Steuerungssystem 18 angeschlossen
(1; fehlen in 3).
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Die
zweite Untergruppe 22 umfasst eine Axialkolbenpumpe 38 mit
einer um den Umfang verteilten Reihe von axial ausgerichteten Zylindern 40;
wobei in jedem ein entsprechender Kolben 42 durch ein geeignetes
Mittel (z.B. eine Feder, nicht dargestellt) gegen die schräge Fläche der
Taumelscheibe 28 axial gepresst wird (nach links in 3).
Einweg-Einlassventile (nicht dargestellt) leiten Hydrauliköl unter Saugwirkung
in jeden Zylinder 40, wenn sich der entsprechende Kolben 42 aus
diesem zurückzieht,
und Einweg-Auslassventile 44 geben Öl unter
Druck von jedem Zylinder 40 ab, wenn der entsprechende
Kolben 42 durch die schräge Fläche der Taumelscheibe 28 in
diesen Zylinder getrieben wird, die sich in Bezug zu den einzelnen
Zylindern 40 hin- und herbewegt, während die erste und zweite
Untergruppe eine wechselseitige Drehung erfahren. Die Ausgänge der Zylinder 40 werden
gemeinsam zu einem ringförmigen
Verteiler 46 geleitet, der seinerseits den Kanal 26 in
dem Umschaltventil 24 beschickt. Der ringförmige Verteiler 46 ist
in der zweiten Untergruppe 22 gebildet und dient als hydraulischer
Schleifring, um hydraulische Kraft zu dem Kanal 26 in dem
Ventil 24 zu leiten, das Teil der ersten Untergruppe 20 ist.
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Das
Ende des Kanals 26, das von der Pumpe 38 und dem
Verteiler 46 entfernt ist, ist hydraulisch an das Auslassventil 30 gekoppelt.
Eine Drehdichtung 47 mit großem Durchmesser (schematisch
als O-Ring dargestellt, der mit der Mittellinie des Bohrstrangs 12 koaxial
ist) sorgt für
die erforderliche Gleitdichtung zwischen den relativ drehenden ersten
und zweiten Untergruppen 20 und 22. Während das
Auslassventil 30 offen ist, kann sich kein Druck im Kanal 26 aufbauen,
trotz des ununterbrochenen Betriebs der Pumpe 38. Wenn
das Auslassventil 30 geschlossen ist, baut sich hydraulischer
Druck im Kanal 26 auf und wird wie in der Folge hierin
beschrieben genutzt. (Das Innere des Exzenters 16 ist abgedichtet
und mit Hydrauliköl
gefüllt,
das als Reservoir für
die Pumpe 38 und andere Teile der Hydraulikschaltung dient).
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Eine
Hauptkomponente der zweiten Untergruppe 22 ist ein Körper 48,
der sechs radial nach außen
gerichtete Zylinder 50 mit offenem Ende bereitstellt, wobei
in jedem ein entsprechender Kolben 52 gleitend gedichtet
ist. Die Zylinder 50 und die Kolben 52 sind gleichwinkelig
um den Körper 48 verteilt,
wobei nur zwei dieser Kolben und Zylinder in dem Querschnitt von 3 sichtbar
sind, während
alle bis auf einen Kolben und Zylinder in 4 der Deutlichkeit wegen
fehlen. Jeder der radialen Zylinder 50 ist für sich durch
einen entsprechenden radialen Durchlass 54 an den Innendurchmesser
des Körpers 48 hydraulisch
gekoppelt, aber keiner der Zylinder 50 ist direkt an einen
anderen der Zylinder 50 hydraulisch gekoppelt und die Bedeutung
dieser wechselseitigen Isolierung (im hydraulischen Sinn) der Zylinder 50 wird
in der Folge unter Bezugnahme auf 4 erklärt.
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Ein
zusätzlicher
Teil der zweiten Untergruppe 22 ist ein Magnetfeldsystem 56,
das funktionell mit dem Anker 34 zum Erzeugen von elektrischer
Energie zusammenwirkt, wenn die Untergruppen 20 und 22 eine
relative Drehung während
des Betriebs des Exzenters 16 erfahren.
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Der
Exzenter 16 ist von einem starren Stahlkreisring 58 begrenzt,
der normalerweise nicht drehend ist und dazu dient, mit der Wand
des Bohrlochs (nicht dargestellt) in Kontakt zu stehen, während er als
schützender
Verschluss für
das Innere des Exzenters 16 insgesamt dient und als besonderer Schutz
für die
Außenenden
der radialen Kolben 52. Der Kreisring 58 dient
somit als Form von Krempe oder Reifen für Speichen, die durch die Reihe
von sechs radial verlaufenden Kolben 52 gebildet sind. Der
Kreisring 58 ist axial eingeschränkt, hat aber in angemessenen
Grenzen durch nach innen gedrehte Endkrempen 60 radiale
Freiheit, die gleitend mit Flanschen 62 zusammenwirken,
die an dem Bohrstrang 12 an jedem Ende des Exzenters 16 befestigt sind
(nur der Flansch 62 an dem linken Ende ist in 3 dargestellt,
der entsprechende Flansch 62 an dem rechten Ende des Exzenters 16 fehlt
in 3). Das Einfügen
geeigneter Fluiddichtungen (nicht dargestellt) zwischen den zusammenwirkenden
Flächen der
Kreisringkrempen 60 und der Flansche 62 ermöglicht dem
Inneren des Exzenters 16 (das durch den Kreisring 58 begrenzt
ist), als das obengenannte Reservoir für Hydrauliköl zu dienen.
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Die
Richtungsfunktionalität
des Exzenters 16 wird nun unter Bezugnahme auf 4 erklärt, in der nur
ein einziger der sechs radialen Zylinder 50 und der zugehörigen Kolben 52 dargestellt
ist, während die
anderen der Deutlichkeit wegen fehlen. Bei Betrachtung von 4 wird
in Erinnerung gebracht, dass die zentralen Komponenten, nämlich der
Bohrstrang 12 und die Ventilbuchse 24, drehen.
Im Gegensatz dazu ist der Körper 48,
der den radialen Zylinder 50 und den radial ausfahrbaren
Kolben 52 trägt,
nicht drehend, während
der umgebende Kreisring 58 auch normalerweise nicht drehend
ist, obwohl ein gewisser Drehschlupf das Funktionieren des Exzenters 16 nicht
beeinträchtigt.
Da jeder der Durchlässe 54 (von
welchen nur einer in 4 dargestellt ist) nur einen
entsprechenden der Zylinder 50 mit dem Inneren der Körpers 48 dort
verbindet, wo er sich in engem Gleitkontakt mit der Peripherie des Ventils 24 befindet,
garantieren die Form und Dimensionen des Kanals 26, dass
nur jeweils ein einziger der Zylinder 50 hydraulisch durch
den Kanal 26 mit dem Pumpenausgangsverteiler 46 und
dem hydraulischen Kraftausgang der Pumpe 38 verbunden ist. Das
Ventil 24 und sein Kanal 26 bilden daher einen hydraulischen
Umschalter, der jeweils einen radialen Zylinder auf den Ausgang
der Pumpe 38 schaltet.
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Solange
das Auslassventil 30 offen bleiben kann, wird keiner der
sechs Zylinder 50 mit Druck beaufschlagt. Wenn jedoch die
Richtungssensoren in dem Steuerungssystem 18 bestimmen,
dass der Kanal 26 in seiner Drehung in einer geeigneten
Richtung ausgerichtet ist, wird das Auslassventil 30 vorübergehend
geschlossen. Dieser vorübergehende Verschluss
des Ventils 30 ermöglicht,
dass sich hydraulischer Druck aufbaut, wobei dieser Druckanstieg über den
Durchlass 54, der gegenwärtig mit dem Kanal 26 ausgerichtet
ist, zu dem entsprechenden Zylinder 50 und zu der Unterseite des
Kolbens 52 in diesem Zylinder übertragen wird. Diese vorübergehende
Druckbeaufschlagung bewirkt, dass sich der Kolben 52 radial
nach außen
bewegt und somit einen exzentrischen Seitenschub auf den Kreisring 58 ausübt, der
den Bohrstrang 12 wie in 2 verschiebt,
und somit die Bohrung in eine vorbestimmte Richtung ablenkt. (Die
beabsichtigte Richtung der Ablenkung und/oder der Zeitpunkt des
vorübergehenden
Verschlusses des Auslassventils 30 kann derart sein, dass
zwei (oder mehr) benachbarte Zylinder 50 mit Druck beaufschlagt
werden und folglich zwei (oder mehr) benachbarte Kolben 52 radial
ausgefahren werden, aber dies ändert
nicht die Prinzipien des Betriebs).
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Sobald
sich der Kanal 26 über
die beabsichtigte Ablenkungsrichtung hinaus gedreht hat, wird das
Auslassventil 30 veranlasst, oder ihm ermöglicht, sich
wieder öffnen,
wodurch eine unerwünschte Druckbeaufschlagung
der Zylinder verhindert wird, die nicht in der beabsichtigten Richtung
ausgerichtet sind. Der Zylinder 50 (oder zwei benachbarte
Zylinder 50), der (die) zuvor mit Druck beaufschlagt wurde(n),
um den (die) entsprechenden Kolben 52 radial auszufahren,
behält
(behalten) seine (ihre) Druckbeaufschlagung durch den Verschluss
des (der) inneren Endes (Enden) des (der) entsprechenden Durchlasses
(Durchlässe) 54 durch
die Peripherie des Ventils 24, wo dieses nicht durch den
Kanal 26 ausgespart ist. Wenn der Kanal 26 das
nächste
Mal wieder unter einen zuvor mit Druck beaufschlagtem Zylinder 50 dreht,
wird das Auslassventil 30 wieder vorübergehend geschlossen, um die
Druckbeaufschlagung und das radiale Ausfahren und die folgende Ablenkung
des Bohrstrangs 12 beizubehalten. Das vorübergehende
Verschließen
des Auslassventils und die Druckbeaufschlagungen von Zylindern wird
wiederholt, bis die Ablenkung in die bestimmte Richtung nicht mehr
erforderlich ist, wonach ein anhaltendes Öffnen des Auslassventils den
zuvor mit Druck beaufschlagten Zylinder entlastet, und somit den
entsprechenden Kolben veranlasst, oder ihm ermöglicht, radial einzufahren,
so dass die Bereitstellung des exzentrischen Seitenschubs endet.
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Der
Kreisring 58 kann eine ähnlich
geformte Peripherie haben wie die Peripherie einer bekannten Form
von Bohrstrang-Stabilisator (nicht dargestellt), die dazu bestimmt
ist, auf einem drehenden Bohrstrang drehbar angebracht zu werden,
wobei die herkömmlichen
Längsschlitze
dazu dienen, eine normale Zirkulierung von Bohrschlamm zu ermöglichen.
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Wenn
die Richtungssensoren, die in dem Steuerungssystem 18 eingebaut
sind, durch Erfassen von Vektorkomponenten des Erdmagnetfeldes arbeiten,
sollten zumindest die benachbarten Komponenten der Baugruppe 10 nicht
magnetisch sein.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Anordnung kann zur Bereitstellung
eines exzentrischen Seitenschubs auf eine drehbare Welle unter anderen Umständen als
dem Bohren eines Bohrlochs angepasst sein.
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Andere
Modifizierungen und Variationen in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
können
durchgeführt
werden, ohne vom Umfang der Erfindung Abstand zu nehmen. Zum Beispiel
kann mehr als ein Satz von radialen Zylinder/Kolben-Anordnungen 50, 52 bereitgestellt
sein, die entlang der Untergruppe 22 axial beabstandet
sind. Außerdem können drehende
Dichtungen zwischen der ersten Untergruppe 20 und der zweiten
Untergruppe 22 bereitgestellt sein, während nicht drehende Dichtungen zwischen
der zweiten Untergruppe 22 und dem Kreisring 58 eingesetzt
sind.
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Unter
Bezugnahme nun auf 5 ist dies ein diametraler Querschnitt
einer zweiten Form des richtungssteuerbaren exzentrischen Stabilisators
gemäß der Erfindung,
wobei die Ansicht in 5 der Ansicht in 3 der
ersten Ausführungsform
entspricht. Da der exzentrische Stabilisator von 5 allgemein dem
exzentrischen Stabilisator von 3 ähnlich ist, sind
jene Komponenten und Untergruppen des Stabilisators von 5,
die identischen oder analogen Komponenten und Untergruppen in dem
Stabilisator von 3 entsprechen, mit demselben
Bezugszeichen versehen, dem aber eine "1" vorangeht;
für eine Beschreibung
dieser Komponenten und Untergruppen sollte auf die vorangehende
Beschreibung des Stabilisators von 3 Bezug
genommen werden.
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Die
folgende Beschreibung des Stabilisators von 5 konzentriert
sich vorwiegend auf jene Teile, die sich signifikant von dem Stabilisator
von 3 unterscheiden.
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In
dem Stabilisator 116 von 5 ist der Bohrstrang
oder die Antriebswelle 112 hohl (siehe auch 6)
und der äußere Kreisring 158 ist
mit sechs in Längsrichtung
verlaufenden Rippen 170 versehen, die dazwischenliegende
Abfuhrschlitze 172 für
den Durchgang von teilchenbeladenem Bohrschlamm in Aufwärtsrichtung
definieren. Anstelle der gleitenden Dichtungen, die durch die Krempen 60 und
Flansche 62 des Stabilisators 16 von 3 bereitgestellt
werden, hat der Stabilisator 116 von 5 herkömmliche
Wellendichtungen 163, die direkt auf Dichtungsbuchsen 174 liegen,
die direkt an der Welle 112 an jedem Ende des Stabilisators 116 angebracht sind.
Da die Dichtungen 163 mit der Welle 112 konzentrisch
sind, aber der Kreisring 158 in Bezug auf die Welle 112 variabel
exzentrisch ist, werden relative Verschiebungen zwischen den Dichtungen 162 und dem
Kreisring 158 durch elastomere Verbindungsringe 176 aufgenommen.
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Der
Zylinderkörper 148 nimmt
die Form von zwei in Längsrichtung
beabstandeten Zylindersätzen 150 in
Abständen
von 30° in
drei Zwölferreihen
an, um insgesamt zweiundsiebzig Zylinder zu erhalten.
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Die
Drehposition des Stabilisators 116 in Bezug auf die Welle 112 wird
durch einen an der Welle abgebrachten Spulenwandler 178 bestimmt,
der mit vierundzwanzig gleichwinkelig beabstandeten Ankern 180 zusammenwirkt,
die im Inneren eines Endes des Kreisrings 158 angebracht
sind.
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Wie
in 7 dargestellt, sind die Kolben 152 (von
welchen nur einer in 7 der Deutlichkeit wegen dargestellt
ist) modifiziert, um durch Federkraft in ihre radial halb ausgefahrenen
Positionen zurückzukehren,
wie in 7 dargestellt ist. Die Modifizierung nimmt die
Form eines koaxial angebrachten inneren Kolbens 182 an,
der auf einer feststehenden Hülse 184 unter
dem Einfluss einer Schraubendruckfeder 186 radial gleitfähig ist,
dessen radiale Auswärtsbewegung
jedoch durch eine zentrale Kopfschraube 188 begrenzt ist,
die in die Basis des Zylinders 150 geschraubt ist, so dass
sich der innere Kolben 182 nicht mehr als bis zur Hälfte radial
nach außen
bewegen kann. Somit liegt der innere Kolben 182 gegen die
Unterseite des Kopfes des den Kreisring verschiebenden Kolbens 152,
solange letzterer nicht mehr als bis zur Hälfte radial ausgefahren ist.
Der Kolben 152 bewegt sich zwischen der radial halb ausgefahrenen
und der radial vollständig
ausgefahrenen Position nur unter dem Einfluss von hydraulischem
Druck, der durch das Umschaltventil 126 selektiv in den
Zylinder 150 gelassen wird. Wenn alle Kolben 152 am
Ende des exzentrischen Betriebs des Stabilisators 116 vollständig von
hydraulischem Druck entlastet sind, spannen die Federn 186 in
jeder Kolbenanordnung den entsprechenden Kolben 152 in
seine halb ausgefahrene Position vor und neigen somit dazu, den
Kreisring 158 zu zentralisieren.
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Während in
dem Stabilisator 16 von 3 eine axiale
Einschränkung
und radiale Freiheit des Kreisrings 58 in Bezug auf den
Rest des Stabilisators 16 durch die Wechselwirkung zwischen
den Endkrempen 60 mit den Flanschen 62 geboten
wurde, werden in dem Stabilisator 116 von 5 entsprechende
Bewegungseinschränkungen
durch einen bewegungseinschränkenden
Kupplungsmechanismus 190 bereitgestellt, der nun unter
Bezugnahme auf 8 und 9 ausführlich beschrieben
wird. Der Deutlichkeit wegen sind 8 und 9 vereinfachte
schematische Zeichnungen, und nicht mechanisch exakte Diagramme.
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Der
Kupplungsmechanismus 190 umfasst zwei teilringförmige Segmente 192,
die an dem Inneren des Kreisrings 158 in einer gemeinsamen
diametralen Ebene befestigt sind. Die Segmente 192 reichen
radial in eine Umfangsnut 194, die in dem Körper 148 ausgebildet
ist. Die Nut 194 ist um mindestens die maximale radiale
Verschiebung oder Exzentrizität
des Kreisrings 158 in Bezug auf den Körper 148 radial tiefer
als das innerste Ausmaß der
Segmente 192. Die Nut 194 ist in Längsrichtung
um einen Bereich breiter als die Längsdicke der Segmente 192,
der ausreicht, um eine Bindung der Segmente 192 in der
Nut 194 während
der relativen Bewegung des Kreisrings 158 in Bezug auf
den Körper 148 zu verhindern.
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Eine
Umfangskontinuität
der Nut 194 wird durch ein diametral gegenüberliegendes
Paar von sich radial erstreckenden Keilen 196 unterbrochen, die
zwischen benachbarten Enden der Segmente 192 mit einem
bindungsverhindernden Zwischenraum sitzen. Die Keile 196 verhindern
mehr als eine minimale relative Drehung des Kreisrings 158 in
Bezug auf den Körper 148 und
hindern somit den Kreisring 158 an einer freien Drehung
in Bezug auf den Körper 148.
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Der
Kupplungsmechanismus 190 ermöglicht, dass der Kreisring 158 während des
Betriebs des Stabilisators 116 radial in Bezug auf den
Körper 148 verschoben
wird, während
gleichzeitig jede signifikante Längs-
oder Drehbewegung des Kreisrings 158 in Bezug auf den Körper 148 verhindert
wird, wodurch für
korrekte Grenzen für
die relative Bewegung zwischen der ersten und zweiten Untergruppe
des Stabilisators 116 während
seines Betriebs gesorgt ist.
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Obwohl
gewisse bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung zuvor gemeinsam mit einigen möglichen Modifizierungen und
Variationen beschrieben wurden, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und
andere Modifizierungen und Variationen können ausgeführt werden, ohne vom Umfang der
Erfindung Abstand zu nehmen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert
ist.